автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Методы и средства повышения эффективности восстановления деталей автотранспортных ДВС при плазменном напылении

С-»

£

С© ^ с?

На правах рукописи

<5$> удк б21.357. + 621.793.8

Евгений Николаевич Нооо

метода и средства повышения омжкшшости восстановления деталей автотракторных дво при плазменном напылении

Специальность: 05.20.03 - эксплуатация, восотвновление и ремонт

сельскохозяйственной техники

Автореферат диссертации на соискание ученой отвлеки доктора твхнич9оких наук

Рязань - 1997

Работе выполнена в Рязанской гооудвротвенной оелыжохоаяйотвен-ной академии км.проф.11.А. Костычева.

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ: заслуканный деятель науки и техники, профессор, доктор технически! наук -Б.А. Улитовокий.

(ШЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Доктор технических наук, профессор H.H. Ожегов

Доктор технических наук, профессор Б.А. Лиоунов

Доктор технических наук, професоор A.C. Арефьев'

Ведущая организация: Воороосийокий научно-иоолвдовательокиа институт технологии упрочнения, восстановления и изготовления деталей (ВНИИТУВВД "РеЦцетвль")

я 26

декабря

1997 г.

. 4 Защита диссертации состоится

в 10_ чаооа на заседании диссертационного ооветв Д 063.72.04

Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева по. адресу 430904 г.Саранск, п/о Ялта, ул. Российская, д.б, вуд. 320

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университете.

Автореферат равослан " 25 " _ноября.

Ученый секретарь оовета, профеосор ^

1997 г.

П.В.Сешсн

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актунльнооть проОламн. Поиншо!ша надежности, технических характеристик отремонтированных двигателей являотоя важнейшей проблемой совершенствования ремонтного производства и повышения «го качественного уровня.

• Для всех моделей двигателей преобладает износ детвлей сопряжений М1Ы и ЦПГ. Поэтому вакен выбор оптимального метода восстановления конкретных-деталей ДВС при наименьших материально -трудовых затратах и повышен™ их долговечности на уровне равном или '■превышающем его для новых . деталей.

Плазменная технология - один из перспективных способов восстановления деталей - позволяет получать покрытия с повышенной износо- и коррозионной стойкостью, о также жаропрочностью. Восотанпвливаомая таким .способом деталь подвергается мшимахьим ; температурным воздействиям, а ' ое физико-мвхпничеокиэ свойства - но претерпевают таких' существенных изменений, как при наплавке. Илшзменноо напыление, однако, кон споооб восстановления деталей сельскохозяйственной техники, пока но нашло широкого применения из-за низкой прочности сцепления покрытия о основой. Следует обратить шшмашге на экологичоокио аспекты применения эмиссионных активаторов группы актиноидов и лвнтоноидов в плазмотронах, к°торыо распыляются вместе о вольфрамовой матрицей катода.

Разработка и внедрение ня ремонтшх предприятиях прогрессивных опоообов восстановления деталей, обеспечивающих получение высокой износостойкости без снижения усталостной прочности определяет актуальность-поставленной проблемы. Кроме того, в условиях спада производства и. разрыва экономических связей актуально широкое включение в производство вторичшх материальных ресурсов, уменьшение затрат ■•'иа запасные чпети. Ввюшм представляется применение современных технологий и материалов, н также повышение экологичности ремонтного производства и сельскохозяйственного машиностроения.

Цель работы состояла в разработке теоретических осно' повыш01шя эЭДюктивнооти восстановления деталей две ни баяв, процоссо. плазменного . напыления,- предлонений методов и средств реализации чредлигаомого подхода. . •

ООьвкт исследований - плазменная технология воостановления дэ-тв.пой из железоуглеродистых сплавов покрытиями на основе комповици-ошшк порошковых материалов типа Ш-А1-Ре.

Методы и способы иоолэдоватй. Мотодичеокой основой явился ачатошшЯ подход применения совокупности теоретических и экспериментальных методов. Последние базировались на применении комплекса современны* методов зондирования вещества .ионными, фотонными и электронными пучками с высоким пространственным разрешением, фазовой и элементной чувствительностью с компьютерной обработкой регистрируемого сигнала. Разработаны модели технологического процесса восстановления.

Научная новизна состоит в формулировании концепции повышения ¡эффективности плазменного восстановления деталей автотракторных ДВС, включающей: '

- развитие моделей пароходного слоя, в системе "основа вопствнввливйомой детали; - шшзшшкзе .'композиционное'покрытие"; разработку новой модели границ раздела, которая учитывает размытие границ ионного остова криотвлличвской решетки и позволяет прогнозировать онергия разрыва мегтлоскоотшх связей; .

- оценку прочноотных характеристик, напряженного ооотояния системы плазменное покритио - основа, их вавиоимооти от температуры, дефектности верхних атомных слоев рабочих . поверхностей трибо-ооггряжений;

- теоретическое обоснованно роли хрсма в келеэоуглородиотых легированных сплавах, являющихся подлонкой для никель-алюминиевых' композиций, и предложения . критериев значимых технологических факторов;

- разработку аналитического комплекса исследования элементного и фазового состояния не оубмонослойном уровне чувотвительноотн, новой методики измерения прочности сцепления плазменных покрытий;

- разработку методик пооперационного контроля восстанавливаемых деталей в технологическом процессе;

- установлении значимости главных технологических факторов, определявших адгезионную прочность: материал абразива, время мевду дробеструйной обработкой (ДСО) и нанесаниом композиционного, покрытия, степени вшищэквооти плазменной отруи и расхода

плавмообразующего гаэа;

- отработку раиимов плазменного нвнеоенип покрытия, определения рационального ведения процесса и разработку соответотйующеЯ технологической оонвоткя для его обеспечения;

Достоверность ОСНОПШХ ПОЛОИОНКЙ, выводов и рекомендаций подтверждена теоретическими рвечвтами, экспериментальными дшпшми. полокитвлышни результатами испытаний в центре "Ряааиьагропрсм-отевдарт" и ремонтных предприятий Ряванокого-региона.

Практическая ценность работы заключается в разработке нового технологического процесса, определении его рациональных режимов, обеспечивающих повышение эффективности плазменного восстановления деталей ДНС по сравнении с принятой технологией.

Осуществлены работы по определении методов и средств для реолизации новой технология и новые метода контроля качества восстановленных деталей.'Результаты исследования в виде рекомендательных материалов переданы государственному.предприятии - центру "Ряавньпгролромотавдврт" для распространения и внедрены на опециали-оировашшх ремонтных предприятиях Ряэанокого региона.

Разработан способ увеличения ресурса восстанавливаемых деталей автотракторных ДВС о повышенной в 1,8-2 рава прочностью сцепления. Определены пути совершенствования плазменной технологии, внедрен в производство новый опоооб о улучшенным техника - экономическими характеристиками, опоооб контроля вдгввионной прочности и состояния плазменных покрытий, новые электроды и модификации плазмотрона. Показана возможность распространения предлагаемого системного подхода к широкому опектру деталей ДВС.

. Оценена технико-экономическая аффективнооть предложенного спо-ооба плазменного восстановления на примере коленчатых валов.

Адробация' работы. Материалы диссертации были представлены более чем в 30 докладах на научных конференциях в нашей страна и за руОв-аом по вопросам плазменных технологий, теории рдгезим, диагностики, напряженным состояниям в покрытиях и в верхних слоях поверхности. В чветнооти, теоретико-экспериментальные аспекты адгезии композиционных гюропжовых покрытий представлялись на 4 Международной конференции по адгезии и анализу поверхности (Англия 1996), Ь Международном симпозиуме по порошктивам применения высокопрочных покрытий (фран-

ция, 1996), 4 и Б Европейском оекинаре по соврамешюму развитию и . применению методов эондового анализа (Франция 199Ь'и Англия 1997),, 10 Международной конференции по ионной muco-спектрометр™ (Германия 1996), 14 Европейской конференции по физике поверхности (Германия Г994), а ганяе d Рязанской государственной сельскохозяйственной Академии им. проф. I1.A. Костычевв в 1979-1996 г.г. и расширенном расе-дшти хафэдры технологии металлов и ремонта машин 1'язанской государственной сельскохозяйственной академии им. проф. H.A. Коотычевв.

Публикации. Основннв положения диссертации опубликованы в 47 паучьих работах. Способ плазменного восстановления, измерения вдго-аионной прочности, электродные материалы для плазмотронов, продольная фокусировка заряженных частиц плазмы и селективная юнипация ее частиц подтверждена авторскими свидетельствами об изобретении и по-жжитольними решениями о выдаче патентов РФ. .

Структура и обьом диссергпции. Диссертация изложена' на' 27Ь страницах машинописного токста, включая таблицы и иллюстрации. Работа оостоит из введения, пяти глав, oöuuix выводов и приложения. Библиография оодоркит 222 ноимзнования. ' • .

На звщиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных ' .исследований формирования плазменных пороиксишх покрытий о повышенной Адгезионной прочностью;

- результаты исследования обусловленности физико-. мохшгачвеких свойств слоиотых систем на колозоуглеродистой основе от пространственного распределения легирующих компонент, фазового . состояния покрытия и основы, дислокационные мололи переходных слоев;

- разработка новых технологических схем плазменного■напыления с использованием экологически Сезоггасних моте риалов ллазмотрон-1шх электродов и конструкций плазмотронов, методов контроля качества плазменных покрытий;

- результаты внедрения и технико-экономической оценки разработанных .технологических процессов и оборудования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

X. ПОСТАНОВКА. ИРОБЛЬМЫ, ОПГ'ЩЕЛЫШ ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛВДОВАШЯ

При больших программах серийного производства необходимы споооби ианосиния покрытия о высокой производительностью и минимальным припуском на последующую обработку. Сопоставление различных технологий восстановления деталей указывает на перспективность методов гаэотермического нанесения, основанных на осаждении нагретых и ускоренных высокотемпературным газовым потоком частиц порошка.

Во всех методах газотор.гаческого нанесения процесс соединения кристаллических решеток покрытия и основы обеспечивается тепловой анергией. В плазменном методе с -различно!! степенью эффективности может использоваться энергия газового разряда.

Газоплазменное напцлоние дает слабое сцепление покрытия о основой.а используется для слвбонагруконных и ненагреввющихся при эксплуатации деталей. Способ электродуговой ыатадяизвцю! считается высокопроизводительным для получения износостойких покрытий с хорошей масловпитываамостью и требует в 2 раза меньших затрат, чем дуговая наплавка. Однако, для увеличения прочности сцепления необходим развитый рольоф поверхности, дополнительный подслой; высоки требования к температурному рекиму. Метод предполагает большой прштуок и не всегда приемлем для ншгесокия порошковых композиций.

Метод-детонационного''нападения считается наиболее перспзк. лвным для получения плотных покрытий о'наивысшей прочностью сцепления. Но высокая плотность. покрытий ограничивает их применение в трибосоеди-нониях, гдб требуется обеспечить маоловпитываомооть. Из-ва высокого уровня шума при работа детонационной установки ("140 дБ) необходим вчу-коиооляциошшо боксы, что ухудшает экономические показатели процесса. -Применение высокодиспероных порошков (менее 40 мкм), которые обладают повышенной гигроскопичностью, также .требует специальных приемов их хранения' й подготовки перед нанесением.

Таким образом, сущеетвущие. способы восстановления деталей машин ш обеспечивают высоких технико-экономических показателей. Это диктует , необходимость поиска и внедрения в ремонтное

производство прогрессивных способов восстановления, исключавших снижение, усталостной прочности детали к обеспечивающих ое високую

о

ианоооотойкооть.

Плазменное напыление обеспечивает высокую износоотойкость покрытий, которая определяется их специфической структурой и пористостью; малое температурное воздействие йа деталь (200°С), минимальны о припуски на механическую обработку .(О,26-0,Ь мм на сторону у деталей о формой тел вращения, по сравнению с 1,8-3,0 мм при наплавке); возможность варьирования состава Материала и отепени дисперсности структуры. '

Но споооб плазменного напыления имеет существенный недостаток -низкую прочность сцепления покрытия с основой детали, (адгезионную прочность), что сдерживает его.применение,";

Анализ плазмшшо-пороаковой технологии как определенной последовательности и особенности. проведения операций получения покрытий указ8вает на те из - них, которые в значительной степени определяют качество восстановленных деталей, .

Полученная ранее интегральная информация ■ о толщины нескольких мкм недостаточна, так как ; фиаико-механические свойства , (заби.сящие от типа вдгйзиошшх и когезйошшх связей) определяются взаимодейст-. вием соседних атомных слоев 0,3 нм). Разрешающей ■ способности '. и чувствительности всех ранее применявшихся методов недостаточно для изучения границы раздели. покрытия с основой и оамих покрытий. Очевидна ограниченность выводов и.рекомендаций из этих исследований для ллвзммшо- порошковой технологии. Новые возможности .такого рода исследований появились в 70-80- х годах в связи о, развитием физических .. зондовых методов.

Проблемой, п теории адгезии является сам процесс.. осавдения двухфазного плазменного потока на поверхности основы. Модельные эксперименты не,учитывали множества факторов, тем. более в условиях ремонтного ггроизвсдетва. ГГоложшша несколько упрощает / -.родство многих . материалов основы - железоуглеродистых легированных сплавов.

Рассмотрение активационных факторов увеличения сцепления покрытия с основой, 'Диспергирова«шого характера пленки дает ■ возможность их классификации по степени их эффективности. При этом необходимо также рассмотреть пути повышения эффективности существующих плазмо- ' тройных систем. . ..

Из анализа состояния вопроса ..-вытекают следующие выводы, и на Их I

основе формулируются следующие цели я задачи наследования.

I. Ооновной причиной ограниченного применения плазменной порошковой технологии для восстановления деталей автотракторных ДВС является низкая адгезионная прочность и высокий уровень напряжений в покрытиях.

¡2. Механизм' адгезионной овпви комповициошшх порошковых покрытий на подлояках из квлевоуглеродиотшс оплавов не установлен. Необходимо определить роль атомарной, электронной и фотонной компонент плазмы. Требуется новый метод"' определения ' адгезионной прочнооти оцепления.

4. Для разработки квучно ЙОоснсввшшх рекомендаций по увеличении адгезии разменного покрытия необходимы комплексные исследования физико-механических свойств покрытий методами высокого фазоЕого, элементного и пространственного разрешения.

- Б. Увеличение адгезионной прочности возможно путем определегаш пошойших технологических факторов. Вамю рассмотреть возмоаность 55 пути сокращения времени перехода от ДСО к плазменному нанесению, возмоззюсть непрерывного технологического процесса и соответствующей технологической оояаотки.

6. В качества катодных материалов плазмотронов применяются V дорогостоящие вктивяруккио присадки, обладыющна, к тому ке высокой токсичностью. Требуется рассмотреть возможность их замены на Лолое девевые и пэтоксичние эмиссионные материалы, определить их фактор влияния на технологический плазмегпшй процесс. Показать пути совер-иенствовашгя плазмотрошшх систем в целом.

. 7. Судествующиэ опоообн плазменного нашления требуют совершенствования. Необходимо при этом обратить особое внимание нз вовмозшость контролируемого охлаждения плазменного покрытия при выходе из зоны нанесения« . уменыаешя' резкого термоциклировш-шя в технологическом процессе. Предусмотреть возможность запиты соответствующей оснасткой плазвовно» струи и зоны нанесения покрытия от попадания кислорода. Повысить чистоту и . качество подготовки поверхности основы пород операцией -плазменного «внесения, уменьшить загрязнение поверхности при ее проведении.- Ввести операцию масс.. спектрального контроля состояния переходного слоя на границе основа - покрытие.

2. ТЕОРКТИЧЕСКИИ АНАЛИЗ ФИЗИКО-МЕХАШ'ШСКОШ СОСТОЯНИЯ ПОКРЫТИИ, ЕГО ОБУСЛОВЛЕННОСТЬ Т1ШЮЛОГИЧЕСКИ1Ш ФАКТОРАМИ

Рассмотрения свободных и граничных- поверхностей в слоишх слоисто-гранулированных пленочных системах, возникавших при плпзменно-порошковай технологии, целесообразно проводить термодинамически. Развитая поверхность определяет . ее физико - механические свойства в целом и прочносише в частности Поэтому потребоволось развитие концепции переходных слоев, в. таких системах. Переходная зоне характеризуется особым набором термодинамических характеристик, которые определяются соответствующим спектром микроскопических параметров. В частности, зависимость поверхностного напряжения от скорости деформации и температуры определяется подвижностью атомов в деформируемом слое: при больших скоростях деформации она уменьшается, нагрев же дает сначала уменьшение, а затем увеличение вблизи температуры плавления. , ■■■■'"'■.

Сделанные оценки продольных значений прочности оцепления, как критерия совершенство технологии, дают в идеальном случае значение свободной поверхностной энергия о - 4 Дк / и2 (4000 эрг/см2), которые сопоставимы с известными из эксперимента. Свободную, энергию поверхности (и прочнооть равную 2 о) обеспечивают 6СД мехштомных связей. Из сопоставления физико - механических характеристик следует вывод о предпочтительности формирования переходных слоев из определенного типа атомов. В частности, в хромсодержащих сплавах следует ожидать сегрегацию хрома, что даст рост прочности сцепления. Следовательно, требуется обеспеченно технологических условий для'этого.

Реальная прочность определяется 'дефектами различного типа.!В системе "плазменное покрытие,.- основа" задействована только часть связей на- малых участках поверхности '(очаги схватывания), которые, рвутся неодновременно из-за неидеальности структур^'.- насыщенности дефектами. Концентрация дефектов всех типов может привести к. возникновению и развитию микротрощин, являющихся стоками" дефектов к концентраторами напряжений. Поэтому вяжон анализ, и,х появления-, а также определение возможности прогпоза .уменЫюаи»-;- прочное?»; О увеличением температурных кодебашй!, многократных растягившвоа' 'я. .сжимающих воздействий. Увеличение скорости нагружения затрудняет пластическую -двформоцию мз-зв кинетических факторов ( увеличивается хрупкость). Выделяется группа факторов, определяющих прочностные свойства, что ооосновцвавт необходимость разработки -теоретической-

модели, учитывающей температурный фактор.

Наиболее перспективен подход ,к описанию прочноотшх свойств (адгезионных, кагевионншс и изноооотойкооти) в рамках метода функционала плотности энергии. (Этот метод сформировался как альтернативный квантовомвханическому.) В качество модели систем о" граничными поверхностями, .предложена модель "желе" (МЖ) в ее модифицированном виде (ММЖ), где учтен факт размытия геометрической поверхности зерен покрытия и основы.

Для полупространства твердого тела (ТТ), представленного точечной оиотемой зарядов га, линейная плотнооть остова может Сыть выражена как сумма дольта-функций Дирака 0(х + ):

Н(х) - • + х,) Ах,,

где а - постоянная раиетки, ге/Ах^- усредненная по ячейке

ионная плотность. Требование непрерывной симметрии для МЖ в продела Ах,.-» О приводит к однородному континууму о плотностью

•<а

Шх) - 11т ' ^ п-б(х + х)Ах- Г п-8(х + х* )<3х'- й-6(-2).

Лх. -» о 1 1 л

I V,

О

Представление распределения плотности иона 8-функцией дает ошошшв граница ГТ в М2 ступенчатой функцией Хевисайда (справедливо для неподвижных узлов пространственной решетки)

Предложашшй параметр дискретности я - позволяет

построить ряд металлов в порядке его уменьшения: Аи, А£, Си, Еа, Ва, Св, Т1, 2п, Рг, К, НЬ, Зг, Са, N1, Бо, Ш, 2г, Сг, Мо, К,

%, Та, А1, Мп, Ва. Отсюда следует, что традиционная МЖ лучше подходит для благородных металлов Аи, и Си и хуже для остальных (практически важных).

При учете тепловых колебаний плотность ионного фона представляется в виде сукмы:

(х + х, )/ 2 и2 ] • Азе, =

Щх) = 11т Ах -» о

" ' ] 2 И и

ехр

i 2 %

I exp[-(x + x' )/2 ua j dx' =

1 - erf

2 1С u'

N(x) - - erfo (x),

. ' 2

где ñ - средняя по объему плотность ионов, oríо (х) - дополнительная функция ошибок. Модель позволяет .органично ввести в рассмотрение поверхностной энергии (прочности ионного остова) температурный фактор, ведающий интенсивность aro теплового движения::.

— 3 fvT

м k е

где в - температура Дебая,.являющаяся микроскопическим параметром.и. характеризующая ссоОешюсти. конкротной атошюй рошй.тки.

Предложенная и развитая концепция переходного слоя для системы "основа-плазменное композиционное покрытие", указывает на единую природу и доминирующую роль межатомных . связей в . величине износостойкости, когезионных и адгезионных свойств, покрытий. Она. утверждает изменение (в атомном масштабе - отсюда . требования к экспериментальному комплексу) основных макроскопических - свойств в. пределах переходного слоя, а именно: поверхностного напряжения, поверхностной энергии'. (работы по созданию новой поверхности) и сил' сцепления. Изменение макроскопических, характеристик . на граничных поверхностях. задано соответствующими .изменениями : микроскопических параметров, главным образом, температурой Дебая. : '

В рамках тоории функционала, плотности энергии и разработанной' новей модели граничных поверхностей ММЖ, основанной на осеченном факте изменения температуры Дебая в Хфедолах:^переходного , слоя,!. >е.е .

зависимости от атомной природы матрицы и температурных изменений в колебательных модах получены выражения о от радиуса Вигнэра-Зейтца для любого типа металлов. Сделанные оцегпси предельных она ний прочности криоталличвокой решетки подтверждают целесообразность такого подхода. Тонкие процессы сегрегации, дефектность верхних атомных слоев рабочих поверхностей трибосопряжений можно учесть, как показывает теоретический анализ, при рассмотрении процессов :га микроскопическом (атомном) уровне. Тем самим предопределена необходимость достижения высоких пространственных разрешений диагностических методов и комплексности яри исследовании плазменных покрытий.

lía теоретически выявленной особой. роли примэси хрома в «елезоуглеродистых'сплавах удается предложить критерии доминирующих технологических факторов в зависимости от легирующей примеси, склонной к сегрегации па граничных поверхностях. В совокупности с новой моделью граничных поверхностей ото позволяет прогнозировать физкко-механическое ооотояниэ матриц о различным атомным ооотввом, шшочон легирующие и фона пив примеси.

Предотавлешад готерооиотем (композиционное плазменное покрытие на подложке) чореэ базисные подсистемы (матричную, электронную и до'?«ктную) составляет оуть разработанного нового подхода к описанию граничных поверхностей. В нем определен особый вклад поверхностей раздела и концентрировании (разреяении) и инверсии дефектной подсиотеш на границах раздела. Метод базируется на шчк лонии •эиоргик взаимодействия а подсистеме дефектов и носит поэтому ¡ш'иболое - общий прогноотич'оокнй характер. Это указывает но дйфзкгно-деформоционную неустойчивость в упругих полях поверхностей раздела, контролирующую пространственно-временное распределение дефектов (примесей).

Полученные вырпиашя для линейных и точечных дефектов у границ раздела позволяют по-новому анализировать сегрегационные эффекты и обеопвчивают теоретические предпосылки при разработке процесса управления сегрегацией примесей, включая двфоктование, возникновение и развитие микроструктуры.

Из теоретических предпосылок удветоя определить главные танюлагичаскиа факторы рационализации плазменной технологи! восстановления деталей из железоуглеродистых легированных сплавов и ,в.общих чертах найти альтернативные новые технологические опоообы и оснастку для плазменного напыления порошковых композиций при восстановлении (температурные;режимы, степень изоляции плазмы и др.).

3. экспериментальный комплекс для исследования плазменных , композиционных покрытии v

Для определения роли технологических факторов требуется, установить физико-механическое состояние плазменного покрытия сопоставлением с результатами исследования покрытия, границ раздела в нем и поверхности' основы. Учет взаимодействия соседних атомов, определяющих изучаемые механичеокие овойотва, возможен на качественно новом уровне диагностики о наивыошим пространственным раарошо1мем, выоокой элементной и фазовой чувствительностью. Необходимо применение комплексе методов из-зв нэравновеонооти и гетерогенности объекта исследования, а также из-за большого числа входящих в него компонент (более десяти).

Комплекс включает в себя метод маоо-спектроматрий вторичных ионов (МСВИ), рентгеновской фотоэлектронной опектроскопии (РФЭС), ". рентгенофазового анализа под скользящим углом (РФАСУ). Все метода позволяют проводить растровое и послойное (распыление атомных олоев ионными пучками) исследование образцов в сочетании о компьютерной обработкой аналитического сигнала (рис.1). В комплекс были включены традиционные метода: рештено спектральный микроанализ (РСМА), измерение микрогвердости и оптической микроскопии шлифов, и дифракция электронов высоких .энергий под скользящим углом (ДБЭСУ). Этот же комплекс применялся при исследовании нового класса электродных материалов для катодов плазмотрона. •

В технологическом' процессе восстановления деталей подготовка поверхности основы' и напыление покрытия являются разнесенными по'■; времени технологическими операциями, что потребовало определить влияние на прочность оцепления времени перехода о операции подготовки поверхности к операции напыления. Анализ существующих способов определения прочности сцепления позволяет сделать вывод о необходимости их совершенствования. В этой связи в работе првдакжаа новый способ и методика определения прочности оцепления.

Для определения роли технологических факторов и•установления режима при напыления для определенности вкачестве объекта Орались коронные и шатунные- юейки коленчатого вела автотракторных две типа ЗИЛ-130, КАЫАЗ-740 и СМД-60,62,64. Изучалось' их состояние после каждой технологической операции: ,

Качество изготовлвншх по' новому * способу " коленчатых . валов . проверялось на стендах серии КИ методом ускоренных .испытаний. ■'

Комплекс физических зондовых методов

Х5

- РИО.1 ■.•■;'

МСВИ -. масс-спектромстрии вторичных ионов;' РФЭС - рентгеиовская фотоэлектронная спектроскопия; РФ АСУ - рентгеновский фазовый анализ под скользящим углом; РФА - рептгенофазовый анализ; ДБЭСУ -дифракция быстрых электронов под скользящим углом; ОМ - оптическая микроскопия; ИМ - .измерение мнкротвёрдости; РСМД ",ре:]гй"г!гошекгралы!ыЛ микроанализ"• ,

Обоснованность такого типа стендовых испытаний для карбюраторных двигателей дана в работах И.В." 1'урвича, а для дизельных двигателей - следует из работ A.C. Ахматова, Д.Н. Гаркунова, и.Н. Крагельского, В.М. Мяхлинв, С.С. Некрасова, И.И. Носихинв и других.

Испытания проводились в соответствии о РТМ 70.0CJU1.078 - 82 ("Обкатка и испытаете тракторных и комбайновых дизелей на ремонтных предприятиях Госкомоельхозгвхники"). Ловшшшшй . абразивный износ при таких испытаниях обеспечивался добавленном в масло еломонто-органичоских соединений алюминия раствор органополи-

алюмоокспна).

Опыт работы по диагностике поверхности твердых тел и конкретных деталей ДВС позволил заключить о наибольшей информативности метода мйсо-спектрометрии вторичных ионов. Поэтому в работе предложено проводить такой анализ как. обязательную операцию контроля технологии: входной, мевюперациошшй и выходной' контроль качества восстановления. Разработан простой вариант модифицирования ЬериЯных масс-спектрометров, при котором в области ' ионного источника устанавливается система иошюго зонда на основе дуоплазмотрона.

Некоторое увеличение стоимости за счет дополнительной контрольной операции позволяет вести управление технологическим процессом, непрерывно корректировать его. Главное, же, появляется возможность легко перестраивать технологический, процесс; при переходе к новому типу изделия и расширить тем самым спектр,восстанавливаемых методом плазменного ншгшк>нил ..деталей ДНО.' При атом обеспечивается получение высокого качества получаемых комг/озициошшх . порошковых покрытий.

b работе. содержатся .детальные рекомендации по масс-спектрвльному анализу для объектов любой сложности, которыми являютоя дехали . ■ карбюраторных. и дизельных . двигателей. Методологическая; основа диагностики этим методом прошла апробацию на соответствующих специализированных конференциях в навей стране и за рубежом. и широко представлена а опубликованных автором работах. Кроме того, результаты производственного испытинин тшт подтвердили обоснованность такого подхода к проблеме увеличения ^фиктивности плазменного восстановления деталей.

Методика контроля в.. качеотве рекомендаций передана в центр "РязвньагропромстанДарт" для распространения ; на ремонтных предприятиях. Рязанского региона.

Г7

4. ЮТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПЛАЗМОТРОНОВ

Неудовлетворительный уровень разработки катодных материалов для плазмотронов связан с высокими требованиями по энергетической нагрузка на катод в плазме дугового разряда. Пути совершенствовался ллазмотрошшх катодов - в примононии полых контрагирукцих конструкций, уменьшающих ерозив поверхности, и поиска новых емиссионшх присадок взамен дорогостоящих и токсичных. Одаой из задач работы было определение круга альтернативных вмиссиошшх материалов.

Анализ известных реиетшй, их олабих и сильных сторон позволил выбрать как наиболее перспективное направление поиска материалов для плазмотронов среди сплавных готеросистем "эмиссионно-акгавные элементы 11-А подгруппы (М®, Са, Ег и Ва.) - Ы- А подгруппы (С, В1, Се, Вп)". Ни их основе - удалось рвзрвОотять и запатентовать новые типы катодов для мощных газоразрядных приборов, к которым относятся плазмотроны.

Дано обоснование перспективности этого классе материалов для плязмотрокшх катодов, приведены некоторые обике сведения о геторошстомах А^-А^ и систематизируются сведения об их диаграммах состояния. Следует отметить, что возможность образования интврметоллидов в сисагекох А11- А1 у в процессах взоклодиффузкк- ранее никем не 'исследовалась и да8э отрицалась. Однако, при разработке плазмотронов открытого' типа ответ на него крайне важен, так как определяет -¡я работоспособность, что определило содержание данной части работы.

Такой анализ затрудняет сложность, и, в частности, маогоком-поноктность геторосистем. Поэтому приемлем наиболее обаий подход -термодинамический.''Дан анализ известных попыток такого рассмотрения и обоснован подход, принятий в работе.

Иэ--ой' отсутствия опадений о п^жюдшомйчвских характеристиках большинства интерметаллидов и кислооодиих соединений в гететооиото-

п V •

мах А - А потребовалось россчитять -ах энтальпии- и энтропии, что позволило установить возможность протекания той или иной реакции в заданных уоловиях (тпердофйяних реакций) и покапать- возможность выбора компонентов и структуры катодных, эмиссионных материале». Для этого на порпом этапа вычислены значения 'энтиышй и оитролий соединений, ВОЗМОЖНЫХ в готорооистомох, аиПЧеНЙЯ ОИТрОПИЙ и 0НТ0ДЫ1ИЙ

для интерметвллидных соединений' • приведено . для нормальных термодинамических условий в . твбл.1.. в сопоставлении с известными данными.

Таблица I

Теплота образования и энтропии интермоталлидов.

№№ п/п --■- Соединения: Экспериментальные значбния Вычисленные в данной работе . '

:лн о МШ: ; кал а О» 'ЩТБ; МЙЛЬ.' град

1 2 } • 4 . - 5- -

I. Оа^! 49 ,5 . 50,1 ± 3,0 иб 74,8 . 29,5

2. СамСе - • ■ - 90 , 92,3 32,3

3. Са,5п 75 75 1 4.5 93 74,8 33,8 •

4. Са,РЪ - 51,5 ± 2,5 97,8 59.2 .35,8 .

5. Ва281 - .. ~ 92.3 36,8

6. Ва2Се - '112' " •; 39., 7

7. Ва2Бп 90 90,0 * а,о 90,0 92,3 41,2

8. Ва2РЬ 69 70 ± з.о 70,0 74,8 42; 8

9. СаБ1 36 : •'.. - 37,4 '■'.. 19,2 '

10. СаСе . - - •46,1' 22,1

11. СаЗп 38 38,0 1 37,4 ".23 »5 '.

12. СаРЬ 25 : 28,6 4. 1,5 - 2?. 4 . 25,2

13. Бай! - - 46,2 • 22,9:

14. ВаОе - . - - ■ 56 ' 25,8

15. ВаЛп - 4Ь,2 . '' 27,2

16. ВаГЬ ЭЬ ЗЬ,0 I 2,0 V- • ■ 37,4 7.28,9

17. СаБ1г 36 - 36,а 28.3

18. СаСо2 . - 43,5 34 .,

19. Са£пл . 52 43,0 4,0 43 41 '- :''; 50,2

£0. СаГЪа 30 - - ■ 28 55.3

21. ВаСег - - 57 38,7 .

22. ВаЕ5п„ Я 44 44,0 ± 4,0 : - . 46 ' 54,2

23. ВаРЬ,, , - за 59,1

24. ВаВ/^ . - - 48 86,3

Проведен анализ • взаимодействий в гетеросистемах I - А - Ii - Л с точки зрения энергетической выгодности реакции, которую характеризуют изменением свободной энергии: (или потенциала Гиббса - ЛС) из соотношения: ..'•■

ДО (Т) =bHj (TJKOH.-.bHjiT)^.- Т [Дз1(Т)кон>-Д3;).(Т)нач.]

П П .'•.'■'

где ,. X ЛН (? )кон _ й X Si (Т)кон< - соответственно сумма теплот

• :.'■ ■ ■ m

Образования и • энтропий конечных продуктов '.реакции, S ЛН^(Т)[ШЧ_

m .■''';

и ' 2 ■ соответственно сумма .теплот образования и антропий

начальных продуктов . реакции, Т температура, при которой . анализируется-реакция. ■

• . Энергетически -выгодной считается, реакция, сопровождающаяся уменьшением- .AG, определящая полноту протекания, реакции в сторону конечных продуктов. Приведены результаты : расчетов, в которые . включены более -сложные композиции на': основе выбрпнйых гятеросиотем, обуслоатеш&м технологическими требованиями к катодным материалам. В частности, -. добавки никеля,. меди- или . алюминия увеличивают ' сцепляемость . с керном плазмотрошюго . катода и увеличивают термическую и эрозионную их. стойкость.

.На' основании -термодинамического рассмотрения ггредломшш термодинашческие; критерии,- .позволяющие прогнозировать изменение ■эмиссионных свойств гетероеистем, которые обобщены для мшгокйшонбнтных систем: v '.'■'■'

Щ C-Al^,>3 I--> max;-.

?.'[-ABUV iv-'V/ji _> min;,

I

W С -AH wx 0y)]

->• mm.

проверка этих критериев возможна при знйним термодинамических характеристик соединений. Из расчетов их значений удается показать,, что эмиссионные материалы . на ооя< -да/ выбранных' геторосистам долапш обнаруживать'шЬокуй эффективность. . - " '.

Вторая чисть такого рассмотрения посвящена роли другой важной характеристики Фазовых к эмиссионных превращений - кинетики процессов. Последняя, как известно, может вносить существенные коррективы в энергетические предпосылки. Крома того, методами, чувствительными к самим верхним атомным слоям, уточнялось состояние поверхности сплава, которая определяет эмиссионные свойства катодов дня плазмотронов.

Экспериментальное обнаружение обрааования новых фаз в катодных гвтороструктурах в неравновесных условиях. проводилось как традиционными интегральными методами - оптической микроскопии, иэмораки» модротвордости, так и комплексом современных физически* зондовыу. методов,, описанных вше.

Образцу катодных материалоа приготавливались как прямым оплошюиием, так и методом электронно-лучевого воцарения . £ техническом вакууме, что послужило в дальнейшем технологической основой изготовлении катодов для плазмотронов.

Опиты велись в двух направлениях - по изучению качественной стороны процессов .взяимодиффузии и выяснению воздействия температуры (в диапазона 320° + 62С°С) и его длительности.- Исследовалось также влияние скорости охлаждения по иотечетга определенного. времени выдержки при оодшмой температуре (длительность охяаздекия менялась от \ чпов до шскольких мшут). Ре&тгвнофйзовнй анализ катодных систем проводился. под скользящим углом • (рис.2), а также электронной дафракциай' под скользящим углом и другими -методами с компьютерной оораооткой, чта особенно Ввжно для систем с-большим фоком.

йзучоано образцов показывает, что в исследованном температурном ютгьрвало ня границе контактирования разнородных - частей гетеросистем идут ин-гоисмкше дВДфузиошш» процессы,- с образованием слоя из .крупных к мелких кристаллов более темного цвета,' но ко ли цвет исходных компонент. Толею» образующегося слон существенно различна.. Цапр.лыр, наиболее толстый слой формируется в■ готеросистеме Ва-Бп, о тжболоо тонкия - ■ ц Иа-Оя. Цоицикиовение вони кристаллов СОПиоиоЫД!)« !'ОЯ »¡¿сопим экэотирмичооким эффектом.

Комшюко вопдаяшх мотедон в раотропом и послойном анализе •лом-с-иил подтвердить термодинамические и юшотичеокие особенности ги'мрооисп'М, олммо скгяигео. сплавлоши/х 'и напыленных • образцов. ' 'Ьчжи:е.нч А'-.-тнточцчн равномерность. насыщения эмиссионной компонентой. 1'>;1и1;>ч!К :чу. т>вцх докнютроюых катодов.

i__-О. -

23.22 ■ за.йа

4и.аа sa. м f.a.via

Il_JL

']■ I

I «есч i >

1....__......._.i.L

_________

WWS 0

I Uli?» SN 02

_J__L____________

34JKÍ С1Ч « 5N

_J______Li ......

J_____

i I си не/

I I____J___L____I_____i.„д—l...- i-----------J..L-

«J .5

-Jim

5Л.ЗЯ «e.ßiJ •

_

sa. из

ей.ей va. ¿а

i_______LjJ_______

имл sN ог

Л....:.. .

¡no.2. ']-"ентгвнограмт нового'¡сяасса катодов., о "мй/Шой4ocho¿o.i

Микроструктура эмиссионных композиций на основе двойных, и тройных . сплавов (о N1) в разрезе и разломе и их маоо-спектры, результаты анализа фазового состояния пленочных катодов методом РФАСУ подтверждают сделанные выше вывода, которые остаются верными при добавлении в оплав Си, а1 или n1. Последнее обстоятельство стало основой авторского свидетельства об изобретении и патента:РФ.

Растровое изображение поверхности, полученное методом МСВИ в составляющей катодного материала говорит о равномерности • распределения эмиссионно активной компоненты предложенных материалов, что позволяет избежать одного ив факторов стягивания разряда в катодное пятно и уменьшить эрозию (рис.3). • '

¡птг

шшхтш«''

¡411331. ■ ■

тгткчши ;(и {л ч ¡<1 и 11<и 111Л (>11*и и 1 и 111 г

11111<111<11111111*1Г1111111Л1111

| 11 1 I 11 И ии'11*1*11 И 4 и и 1'И : 1

I пп (ел г.; ? т: 1Л

111111111111 ии>1*1ПШ11*111<1* 1111 п 1 и 1>*1 лл 1 к:,и (?11 ш 1 1111111111::тг}>|!Т!Ч,11!1П1<:11< ¡!{!»Ц!П>.1**1¥>|#Г1Л< 11111 ;■:!:!? липкими 111111111 >1*>1 »<Т«МА( 1111 lii.il> 11!! 11 < *■■ и: я I 111 и г т: и 11111111 и 1Я11

II и и тг I* и* 111111 и 1 т.! 1 ¡111111

СШ^ПШРК^. - -----......-.....

•аКН!»!!» инти 1*1*1» <

- „ ______.

ШЖЖЖфГ

»! 1.111111 >>. 11111

К И И 11 1 1111111111111:1 . : . .4: 1*111111 и м 1*111.11 11111 111111! Ч 11! . 1*011:: 111111 1111 . • 11 и 111111111

" г и 1111 111111111 Ы1 1 ЦИ 111111*111 11101

,. ; 111 и > 11111 ч л 1II111

К1ЙИШИШШ!!<>1Г"---------

Рис.3. :Распределение-эмиссионяо-вктивноЯ компоненты (на примера магниевых' катодов):, в - катод, на основэ магния; 0 ~ включения магния в кремнии

МОВИ выявляет различие в составе разреза и границ разлома емиооиощшх оплавных ^композиций. . Поэтому зондирование верхних

аз

атомных слоев, обнаруживая"сегрегацию элементов сплава, подтверждает правильность вывода о роли технологических добавок А1, с и и ш в структуре катодных сплавов.

Метод РФАСУ подтверждает главный прогноз термодинамического анализа об образовании интерметаллидних соединений во всех образцах катодов в ходе реактивной диффузии. Вместе с тем обнаружено формирование окислов эмиссионно-активных компонент, которые, вероятно, всегда возникают при контакте поверхности катода с атмосферой, что также следовало из термодинамического рассмотрения. Аналогичный вывод следует из анализа методом.РФЗС, дифракции быстрых электронов под скользящим углом.

Эмиссионные исследования, наряду о. изучением фазовых изменений во времени позволили ' учеот.ь роль кинетического фактора. Поэтому измерения работы выхода электрона гетеросистем, помимо вывода об эрозионной их стойкости в газовом разряде подтвердили предсказашше термодинамически направления процессов. Изучение термической устойчивости плазмотронных катодных систем имело п этом ■ смысле двойную направленность. '

Так как о точки зрения технологии в качестве емиосиошшх катодных • покрытий целесообразна применение сложных композиций (сплввов), то йомимо простых систем были изучены эмиссионные характеристики ряда сплавов (на основе ее, Бп, Их, к1, си).

Поскольку наиболее важна величина <р в условиях газового разряда, то предполагалось, что <р сплавных катодов определится, из соотношений устойчивости химических связей в сплаве и уровнем термического, фотонного и ионного воздействия на поверхность.

Различие экспериментальных результатов одинаковых по объемному соотаву сплавов (устанавливаемому рентгеновскими методами) объясняется отсутствием сведений о составе исследуемой змитирушей поверхности, ее зависимости от величины и продолжительности1 термического воздействия, наличия на па* .: загрязнений и т.д. Возможность прямой экспериментальной проверки существования тонкого поверхностного сегрегационного эффекта появилась в связи о развитием диагностики поверхности и сделана в диссертации.

Для измерения эмиссионных оаойотв, термической и еровионной стойкости гетеросистем - разработаны- устройства приборов и електрические схемы. Преддожошше методики определения поверхностной эмиссионной однородности позволили 'сопоставить о • результатами

изучения латерального распределения компонент катода, полученными зондошми методами в растровом и послойном рекимах.

рызрайотанныв эмиссионно активные готеросистемы наносились как прямим нанесение из расплава на корны из вольфрама или меди (которая обеспечивала наилучший теплоотшд при работе в дуговом разряде), так и электронно-лучевым испарением в вакуумной уотановке.

Уменьшение работы выхода электрона катода в 1,5 раза уменьшит приблизительно в такой же степени катодные потери энергии, подводимой к плазмотрону (до 102 от. всей мощности). На тепловой экран в пролетном пространстве между плазмотроном и восстанавливаемой деталью . (по предлагаемому способу напыления) может одновременно о'нть включен в оптическую систему плазмотрона подачей соответствующего потенциала. Ионно-электрошшд и фотонная компонента в плазменном истоке обеспечивает поддержание распаляемых часгш. порошка в заряженном ооотоянии. Поэтому подача потенциала на акра* позволит уменьшить потери энергии на атом участке (достигающие IOS).

Продольное магнитное поло внутри плазмотрона такке позволяв! уменьшить потери в его камэро (составляющие До 30Z потерь энергии). При этом частицы порошка получают дополнительное- ускорение оо: увеличения расхода юшзмообрааукщего газа.

Помимо традиционных способов повышения еффективност; плазмотроншх систем можно реализовать енергизо дугоього разряд: электрическим подключением восстанавливаемой детали к електро- дал плазмотрона. Хотя дуговыо плазмотроны имеют ЁнсоккЯ КПД к мощное™ до 2-й МВт, ко их ресурс, ограничен-. стойкостью -электродов, и ш превышает десятков часов. Оказалось; что применение, конфягурвцш полого катода и разработанных сплавов позволяют отчасти решить от; проблему. Применение плазмотронов с двойным.контрагированкем плазм (дуошшзмогрон), описание которого содержится в работах автор) представляется перспективным.- Возникаюаае ¡три атом врадош* плазменной струи позволяет.уменьшить потери анергии па нагрев камер плазмотроне (дортигаюиие 30%). При атом увеличивается отабильноои разряда и уменьшается нагрузка на электроды (уменьшается-их эрозия)

Рассеиваемая в проотранотво эноргия -плазменной струи чаотичю ш воаврдщаэтся при -реализации нового споооба ллазмвнвдг! восстановления, предложенного в работе.' Перспективна реализаци, способа селективной ■ ионизации чаотиц плазмы, на которую получен авторское свидетельство об изобретении. , :

ь. влияние технологических факторов, опрвдкякник ршошьн1ч1>-режима и внедрение результатов исследования в производство

Результаты изучения микроструктуры границ роздало в плазменном покрытии традиционными методами металлографии хорошо согласуются с известными данными. /Однако, диффузность (размытость) слоя трудно надежно:. интерпретировать из-за малых толщин, слоистости покрытия и высокой неоднородности.

Сопоставление методом • РСМА изображений границы раздела в отраженных электронах и характеристическом излучении элементов позволило установить следующее: подложка и покрытие п■незначительных количествах содоржвт хром, который сегрегирует к граница раздела; протяженность участка сегрегации велика; алюминий равномерно распределен в покрытии, в подложке его нет, нп границе раздела наблюдается его незначительная ..сегрегация; при молом количесты) углерода в подложке и покрытии наблюдается ого сегрегация ив границе раздела.

Анализ Изображений участка границы раздела образцов, напыленных с нарушением технологических режимов методом РСМА показывает, что в покрытии алюминий вытесняется хромом, в то время как никель распределен равномерно. Изучение образцов, напылотшх с перегреном, выявил диффузное соединение .с. участием атомов хрома. Об этом свидетельствует протяженная зона сегрегации 'хрома ^ ЬО мкм, которая пересекает, ' границу раздела. Частичное совмещение изображений углерода и хрома позволяет предполагать образование карбидной фазы хрома. Алюминий неравномерно распределен на границе раздела и в покрыта!.

' Проведенный микроанализ позволил обнаружить.-границу'раздела и установить распределение элементов, но РСМА позволяет, судить о фазовом состоянии и элементном, составе плазменного покрытия в обьеме Солее I мкм. Поэтому трудно.предложить механизм сцепления покрытия с основой.

Методом РФАСУ обнаружено. что' поверхность стали 46.-(шейки коленчатого вола) после 'выдержки в печи при .температуре 190^0 о течение двух часов - представляет собой твердый раотвор "Сг-Ро-м!. Карбидные фазы железа в поверхностном слое (10 нм), по данным РФАСУ, присутствуют "в точных количествах, ■соответствующих справочным. Сравнительный анализ методом РФЭС поверхностей показал, что состав 'поверхности, .образцов .-зависит, от вида, механической обработки перед ;оп_ерйодой:'п'ла1?мощ?ог0'■ напылений:.,■■•-"у,' •• . ^ ' ' '

Образцы, обработанные металлической щеткой, менее загрязнены, но содержат много алюминия и не имеют развитого рельефа. Абразивно-струйная обработка обеспечивает очистку поверхности от алюминия, развитие шероховатости поверхности и ее активацию. Вместе с тем, ДСО загрязняет поверхность углеродом и другими примесями.

Высокую информативность дает метод МСВИ. Поверхности подложки и покрытия при анализе со стороны границы раздала вглубь образцов содержат элементы, которые можно разделить на четыре типа (результаты мсвм подтверждаются такие методом РФЭО): элементы основы, материала покрытия, примеси, попавшие на границу раздела в процессе подготовки поверхности и напыления покрытия, случайные примеси. Послойным анализом (МСВИ) поверхностей поола отделения покрытия от подложки выявлен переходный слой толщиной ™ I. мкм, в котором обнаружена сегрегация Ог, 81, О, В (рис.4). ,

-

---О

11*0.4.' Распределение элементов на границе раздела

Определен неодинаковый характер распределения этих жо элементов на свободной поверхности, границах раздала покрытия с подложкой и меиду отдельными частицами в сомом плпзменном:покрытии.

Сегрегация атомов хрома происходит с вытеснением атомов никеля из тройного твердого раствора с^Ге-Ш и образованием двухфазной системы твердых растворов Ре - N1 и Ре - Сг (рис.Ь). Кроме' РФАОУ об этом свидетельствует Метод РФЭС (атомов никеля нет в слое ~ 3 им). Метод РФАСУ выявил со стороны подложек дня некоторых образцов, кроме фазы ли?!,., фазы хрома и окиси алюминия А1гоз. (рис.6); у образцов, перегретых, плазменной струей, также наблюдается расслоение тройного твердого раствора, но при одновременном рооте линий фазы А1гоз.

На поверхности, деталей есть то те олементы, которые содержится в масле двигателя и в окружающей среде - К, Са, О, N и другие. МСРИ и РФАСУ поэткхляюг сделать главный вывод об изменении фазового состава . поверхности образцов при температурном воздействии из-аа диффузии и сегрегации хрома в процессе проведения технологических операций. . '

Из анализа деталей после каждой операции следует, что:

- ДСО вносит изменения в элементный состав поверхности, наоышая ее углеродом и другими примооями; '-..■-.

-обработанная поверхность содержит кислород и составляющие . воздуха, транспортирующего и плазмообразукйцого газа;

при отделении покрытия от подложки граница рвзлвла проходит через переходный слой толщиной ~ I мкм, в котором обнаружено повышенное содержание Сг, с, Б!, в - и• при некоторых условиях Фазы А120,;

- ■ сегрегация-' хрома ведет к расслоению тройного твердого раствора . Сг-Те-Ш • на Ре-сг и Ре-й1. с Г вытеснением последнего с поверхности раздела на глубину более 3 им;

- при - нппылении аргоно-азотной. плазменной струей, помимо то(яторатурного, действует конкурирующий фактор, уменьшающий диффузионную, подвижность хрома, .

. Результаты измерения прочности сцепления показали роль - технологических/ факторов в ео величине, влияние элементного состава, фазового состояния и микроструктуры.

11окрытия., образцов, где . паиоолео велика, сегрегация хрома, характеризуются максимальной одгегн'ошгоЯ прочностью, а образцы - о.' максимальным, содержащем в переходном слое хрупких окислов А 1„0 , углерода и кремния имеют, худаио'характеристики. .-'•':' "'; ■ ■

Следовательно, .-сегрегЕмая. Сг ■ и сопутствующие ей изденёшм фазового, состови увеличивают адгезию'илазмегшого. покрытия. При о том

60 70 80»

0 -/'( О«' .

1 - Фаза тройного твердого растзора Сг-^-Ус \ 2 - фаза тЪзрдого раствора /с ^г ( < . 3 - фаза твердого раствора Л- /К- ,

Рио.Б. Дифроэтогроммы подложек

2,0.6,

30 40

1 - Ьпау'Му; з _ фвз»Д^| 3 - фаза' С*". .

70 80 ■

Рис.й. Дйфргистограммы покрити;-.', гюлучмших V. ¡¡шшрншх.рвкнм&х

наблюдаемая традиционными методами размыгоать грвшщм раздела у чвоти образцов не моиот гарантировать максимальную адгазкю покрытия.

■ Исследование влишшя времени выдержки подложки на воздухе перел операцией нанеоешя показывает на уменьшение прочнооти сцепления уж« в первые минуты, что требует сокращения . времени меконерационного перехода.

Рассмотрен процесс формирования переходного слоя. Подобные процессы следует ожидать во всех железоуглеродистых сплавах - сталях и чугунвх, что указывает на общность сделанных выводов и обоснованность применения комплекса зондовых методов для исследования таких гетерогенных объектов.

,Цля улучшения адгезии необходимо ограничить доступ воздуха к поверхности детали и в.. плазменную струю. Это достигается экранированием. плазменной струи на дистанции напыления и защитой шгорпшм газом (аргоном) части детали, выходящей из зоны напыления, что онло реализовано в новом способе плазменного напыления.

;; •.Широкое; исследование проблем] 'повышения' эффективности шюпмшь .ного■ напыления позволило определить непротиворечивую модель и развить подход применительно к железоуглеродистым оплпвчм. Показана отрицательная роль кислорода при плазменном напылении.

Для уменьшения загрязнения поверхности углеродом при Д00, предложено применять абразив, который не содержит углерод в свободном вида.

Комплекс мероприятий по увеличению прочности сцогглйния покрытия с подложкой реализован в новом способе плазменного нопшютш и отдельных рекомендациях: определены значимые технологический факторы. ;,

Стендовые ускоренные испытания двигателей СЭД - 6(5, М, п также;-'• КАМАЗ- -740, ЗИЛ -130 показали увеличение моторесурса по отношению к базовому варианту восстановления в сродном в 1,4 раза.

Высокие тсхнико-экономическив показатели' новой технологии и методов . контроля подтверждены результатами -испытаний в ■ центр» "Рязаньагропромстандарт", которому передана соответствующие рекомендации для внедрения на ремонтных-. предприятиях Рязанского региона.' . ' . '•-._

,; Экономическая, эффективность • от., внедрения только на одном ремонтном' предприятий,предложенной технологии составляет 76,4 млн. рублей* ''-У.;' •'; • -У • ■' * -

овщие вывода .

1. Показано, что основной причиной ограниченного применения плазменного напыления при ремонте деталей ДОС; является . низкая прочность сцеплеш1я покрытий о восстанавливаемой деталью (26 - ЗБ МЛа). .Доказана необходимость исследования механизма сцепления на принципиально новом экспериментальном и теоретическом уровне и разработки на этой основе технологических мероприятий повышения теишко-екошмических показателей плазменного восстановления. .

2. Развита концепция переходного слоя в сиотеме "основа восстанавливаемой детали - плазменное . покрытие". . Для . этого разработана новая модель границ раздела, которая учитывает размытие ионного остова кристаллической, решетки и позволяет прогнозировать энергию разрыва мвюлоскосгных связей.

3. Теоретически обоснована роль хрома в сплавах - основах для порошковых композиций и предложены критерии значимых технологических факторов: время перехода к ванес&кюо, тип, абразива и защиты. зоны восстанавливаемой детали. Предложи новый ' подход для описания дефектно-деформационной неустойчивости рабочих шверхнотей путем учета роли поверхности в слоисто-гранулированной система композиционного плазменного покрытия

4. Разработан аналитический комплекс кз В. методов и методики определения адгвзио)шой прочности шшзмешшх покрытий, элашнтного состаня и фазошго состояния с чувствительностью по примесям до 10"'%, Комплекс применен для. выявления дамшшрующюс факторов на всех стадиях плазменного нанесения.

&. Установлены глашшо техно логические факторы, вдаяющие на адаезиошую прочность .при швом onoco.de напыления, Рациональные рокимы при его реализации ' следующие: время перехода 'от 'операции дробеструйной обработки к.плазменному'наиеоеюпо - I мин; абразив для ДОО - дробь ДОК; расход аргона (погретого до, 9р°С) дополнительной ваашты восстанавливаемой поверхности - 0,8 ма/ч. Наказана целоооразность введения в технологическую цепочку операций контроля: адгезионной прочности покрытий по предложенному шарму способу и .анализа элементного ооота&а с помощью модернизированного маоо -спектрометра.

С. Определены пути совершенствования плазмотронов для нанесения композиционных покрытий. Разработан новый класс ' электродов плазмотронов, • для чего 'проведена систематизация, по всем гмр<щок7шшым котодшм материалам плазменных источников этого типа. •

ai

7. Указаны дальнейшие пути совершенствования конструкции плазмотронов, заключающиеся в применении полосття конфигураций кп'тодов, дополнительном контрогировшога плвзмц продолыши мпгнитшм полом и селективной интенсификации плазмы. Все обозначенные поправления совершенствования плазмотронов защжида«' глзторсними свидетельствами об изобретениях и патентами РФ.

8. Разработаны технологические мероприятия повышения техники-экономической- эффективности процесса плазменного ншшсония,-увеличения прочности сцепления композиционных плазменных покрытий и предложен новый способ плазменного напылении. Рекомендовано Д;'п проводить непосредственно на установке плазменного шншлогмя; нвпиланио проводить закрытой плазменной струей с ггодачой нп поверхность детали, вышедшей из зоны плазменного напыления,аргона, нагретого до определенной температуры. Предложено соотиотсгнунщпя технологическая оснастка. Установленный рациональный тохпологичр'жий режим позволил уже-на первом этапе повысить адгезионную прочность в 1,8-2 раза по сравнению с существующей технологией. Смесь порикков .ШИ5Ю15, ПР-НД42СР И ПР-Х4Г2Р4С2Ф в соотношении 2:1:1 дает при таком режиме! увеличение прочности сцегшншя с Б8,9 МПп до IOU МПа при уменьшении толщины покрытия с 1,6 до 0,3 мм.

9. Даш рекомендации по ведению технологического процесса и изготовлению технологической оснастки на основе рационального технологического рекима для PTII на примере коленчатого пола. Испытания двигателей СВД-60,62,64, а также КАМАЗ-740 и ЗШЫЗО, показали увеличение моторесурса по отношению к базовому варианту восстановления коленчатого вала в 1,4-1,8 раза. Технологическая себестоимость нового способа плазменного.восстаноЕления в среднем в 1,2 раза (на-14%) кмто, чем по существующему способу.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИЙ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Моос E.H. Сегрегация примесей и изменение фазового состояния в плазменных покрытиях. Сб. нау.ч. трудов.- Рйзань: РГСХА, 1996. С.45.

2. Холодннй катод для газоразрядных приборов. A.C. Ii 1777502, Т992 / E.H.Moöc, T.r.nostapcKSflj С.Ь.Славнова, А.Н.'Геболева.

'' З-.-Додеккн A.C. j- Mooo E.H.' Двухфазный шток на основа плазмы дугового' разряда и - по^хзщковй^ ^материалов. В тэзизах Ме'ид.канф.

"Проблемы и прикладные вопросы физики" - Саранск: ИГШ, 1997.

4. Моос E.H. Физико-хямическоо исследование некоторых аспектов образования илтерметаллидов в гетеросистемах типа //"Элек-

тронная техника" сер.8, 1977, вып.1. С.76.

Ь. Коберниченко A.B., Моос E.H. Способ определения адгезии плазманных покрытий. Пол. рош. о выдаче пат- РФ по неявке И ЭЬ-12I0Б6. ,

G. Ыаос-опектрометр для анализа .твердых тел •/ Е.Н.Ыоос.Б.М.Сафин Е.Я.Черняк, Г.Н.Шуппе. В Меявуз. об. "Фиаика полупроводников и микроэлектроника. 1977, выл.4.. С.7.

7. Колтовокий В.A., Moco E.H., Методы планирования експериманта при построении математических моделей процеосов эмиссии. Труда школы-семинара "Организациоцно-економическио вопросы ооздания^ вычислительных комплексов.и систем". - М.: 1988, С.31.

8. Mooa E.H. Free Dirríaoa and. interfaoe tmalysio results In abe. Ъоок 10 Inter. Conf. on Бао. Ion mass Bpeotr. and reí. Taoh. Goimarij', 1995. F.66.

9. Калан А.15., Моос E.H. Термодинамический анализ процеосов подавления амиссии в ЭПВ с катодами на основе цвлочно-зешлышх металлов // "Электронная техника", оер.4, 1973, вынЛО. C.I6.

10. Способ изготовления катода .для ГИП. A.C. Н 93049574, 19ЭЗ /E.H.Моос, А.Б.Покрывайло, В.Г.Самородов, В.Ы.Соколов, Л.I1.Сосков'-екая.

II.. Моос E.H., Шушю Г.Н. Связь эмиссионных свойств и фавового состояния у гвтвроскстем типа А^-В^// Изв.АН СССР,еер.фцз.,1979, т.43. С .1843. :

11.'. Моос E.H., Оафим K.M. Реактивная 'диффувия в оистеме Еа-ёп // Изв.АН СССР, сер. "Неоргшшч. материалы", I98Q, Т.16, С.366.

13. Антонов Й.Ю., Ыооо E.H., Паршн Г.Д. Измеритель скорости Счета ионов //Изв. АН СССР. оер."Приборы и технике екопериманта". 1980, N 5. - С.172.

14. Споооб .ионной опектроокошш поверхности. A.C. Н 101093319öI/ Арио.тархриа A.A. , Денисов А.Г., Моос E.H., .рвйкин Л.Г.

1Ь. Моос E.H. Пенно-ионная эмиссия сплавов на основе элементов К-А . группы. В со. "Вааимадойо.тшю атомных частиц с' твердым твлом"-Мниск: ИИ, ХЭТа. С. 204.

16. Kiuofl E.H. -йсслидоиаше'. гетероотруктур соединение ' А®- ' Bv походом МСШ. Ü. со."Взаимодействие., ат.ошшх частиц с твердим телом". - Минск: ЫРТИ, I98Ö. С.223.

17. Влвдимиров. А.Ф., Мэос- E.H. KaTöMiiTiwacKoe моделирование

краевого эффекта при послойном анализе в режима растрового сканирования. Тез. докл. V Всесоюзного семинара на вторичной ионно'-фотонной эмиссии,- Харьков: ХГУ, 1988. С. 14Ь.

18. Моов E.N., VaBkov Н.Е. New aspeot of the eleotifin. diotribution in Jollium model. In вЪв, book 12 Int. Vao. Congr.

,IVO-12 The Hague. The Netherland. 1992. P.76.

19. Koberniohenko A.B., Hooe E.H. SIMS апвИвув of the eyptom film (fJl - Al- Pe) on the alloy Bubetrata (Fe~Ni - Or) // 4~th European Workuhop on modern developments end application in miorobeam analiByia. Book of abetraoto.- St. Malo, Franoa, 1995. -P. 364.

20. Uoob 'S.U., Tabunov N.I. Orientation part of the work function. In abe. book of the 13-th Congress, 9-th lilt. oonf. on Solid EurfaosB.- Jopan, Yokohama, 19.95. P.124.

21. Ваоьков P.E., Mogo . E.H. Граничные условия в модифицированной модели "яэле" // ФТТ, 199бу т.37, С.647.

22. Моос E.H. Концепция релаксационных явлений в полупроводниковых структурах. В сб.: Материалы U Всесоюзного научно» теющческого семинара "Пути повышения надежности микроэлементов я микросхем" - Рязвнь.'.РРТИ, 1988 , 0.137.

23. Vladimirov А.Р., Моов E.N. Energy of dinlooation loopo in oryetalo //phyoioa otatúB Bolidi (a), 19B6, V.84, P.581.

24. Vladljnirov A:?., • Uoob E.H. Development of Etihelby oonoept in ¡solution of boundary problem for elastio eolide with defect* //phyBioa' Btetufl eolidi (a), 1939, V.111, P.S9.

25. Hooe B.H. Influence of a free Burfaoe and interfaoo on SIMS analyoio t»sBultB - In obe.book B- th Inter.Conf. on EIMS, 3'he Hethorland, Amsterdam, В1Ш - 8, 1991, P.2S8.

26. Коберничэико A.B., Калинин E.B., Mooo E.H., Ухалин A.C. Исследование переходной зоны в системе подложка(от.4Б) -плазменное' покрытие (сплав Ni-Al-Pe). Нвучно-техн.об. - Рязвнь: РВВАУ, 199Б, ВЫП.4. С.109.

27. КоберШменко Л.Б., Mooo E.H. Элементный состав и фазовое ооотошгае в оиотеме подложка-плазменное покрытие. В. сб. науч. трудов -Рязань: РСХЙ, 1996. 0.77. ••

28. Коберничешсо A.B., îtooc E.H. Ухалин A.C. Методика определения/адгезии плазменных покрытий. Деп. - М. : 11ВНИ МО РФ, 1996, се.р «В, вып. 34 H 2900. .

, 29. Ageykin A.S., Koberniohenko A.B., Моов В.¡f., Ukhalin А.З. Hard' plasma .ooating en Fe-Qr-Ni Bubstrate. ; Miorostruoture. In

abe.book 5 Inter. Symposium on Trend and Now Appl.in Thin Ï ilms.-France, 1996,

30. Моов E.N., Lelekin A.A.. Adheoion naohniera In plasma filme. In аЬв. book 5 Inter. Sympoeium on Trend and New Appl. in Thin Film«. - ïranoe, 1996. P.47. ' '

31. Жидан A.M., Moос E.H., Перепелов B.C. Иопарениа антиэмно-еионных огашвов и их отравляющее воздействие на термоэмиоскв оксидного метода //Электронная техника, сер Л. 1973, вил 8. С.73.

32. Мооо E.H., Шуше ГЛ. Критерии эмиссионных превращений на примере . гвтерооиотам типа А" - Шквуа.оа. "Электроника", 1977, вып.!. С.21.

33. Сшэооб плазменного напыления / Е.В.Калинин, А.Б.Кобврничен-ко, E.H.Мооо, А.С.Ухалин. Нолож. решение о выд. патента РО по заявке N 94- - 092702.

34. Моос E.H., Шуше Т.Н. Диффузия в готеросиотамах типа ЛЕ- í^ Шжвуэ. со. "Физика полупроводников и микроэлектроника"¿ IS78, вып.Б, С.74.

35. Владимиров А.Ф., Мооо E.H. Индуцированные поверхностные дислокации дефектных кристаллов. В об,-"Механизмы упрочнения металлов" - Тула: ТулИи, 1988. С. 18.

3G. Ваоьков P.E., Гаврилов C.B., ftooc È.H. Моделирование процесса газового разряда, для катодов ГР11. В об. : Тезиса докладов научно-техн.кокф. "Проблемы и прикладные вопросы физики. - Саранск, 1993. С.23.

37. Мооо E.H. Кристаллофизика эмиосиошшх явлений в равновесных v. неравновесных условиях. В сб. симпозиума по' эмиссионной олактронике. - Рязань: РГРТА, I99S. О 42.

38. lio os ü.M., Yaetrabkov ■ A.B. .Ne v» optical photo-disaooiativa epaotfometar on tho aranonia IbBor. In abo. book of the 13-th Intel*. Coryçremi g-th lut.Ooni.on Eolia ßurfaoea Japan. Yokogüma, 199b,

39. Ду онколе Ï.M., Мооо E.H. Гетерокатода на основе системы Ae--A1v для плазменных источш1ков. В тезнзвх Меад.конф. "Проблемы и прикладные вопрооы физики" - Саранск:. МШИ, 1997.

40. Маиынокий ■ Ю.П., Мооо К.Н., Райкин JÍ.V. Уотройотво для • регистрации, 'эиерго-шчеоких опоктров- Наряженных частиц. А.С.и 79II08, ■ 1Й30. ■ ' • ^ '."''"';'- . '

41. Itooo E.H., Иуппи Г'.Н. Связь - амисоио'нных свойств и фазового состояния в гетерогенных. системах- типа- ..Тезисы докладов...XVB

. Всесоюзной конференции га -эмиссионной ул^ктронике.-Л. : ДИЯФ, ' 1978. C.ií.4. . ■'-.'. •'•

42. Inyakov V.V., Moos E.N., Btepennlkov A.A.'Simulation of the relaxation In discharge plasma oontlng on steel. In аЬв. book 11th Inter. Coll. on Plasma Ргооеввев. - France. 1997-

'43. Дубикова T.M., Mooo E.H.Различие элементного состявя и фазового состояния поверхности и объема железоуглеродистых сплавов. - В сб. науч. трудов - Рязань: РГСХА, 199"/. С Л 73.

44. Дубикова Т.Н., Mooo E.H. Масс-спектралыюо исследование плавмешшх покрытий на «влезоуглородистых сплавах. // В материалах X В Междунар. конф. "Взаимодействие ионов с поверхностью" - M. 1997. Т.2. С.321.

4Ь. Mooo E.H., Степенников A.B. Моделирование релаксации в покрытиях, полученных методом плазменной технологии. 9 Междунар. конф.' "Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах". Тевисы докладов. - Тула: ТулГУ, С.153.

46. Dubikova Г.M., Griahin M.G., Моов E.N. Adhesion of nultloomponent alloys on a stoel substrate. In aba.book 5 Europe Workah. on modejm level.end appl. In miorobeem analysis. - UK: Torquay. 1997. P.285.

. 47. Владимиров А.Ф., Mooo .E.H. Физико-механические свойства металлов и работа выхода алектрока. В об. науч. трудов. - Рязань: РГСХА, 1997. С.176. ..

ИМНСИЯ ОШСПЮЛ ВОЮГГГ гасямшотю! ттясшя

«1Ж» 17Г гт /СГ

—мим—:¡f,/< ré h