автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Научные и технологические основы детонационно-газового напыления покрытий

о л

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИИ НАУК УКРАИНЫ Институт электросварки им. Е.О. Патояа

На правах рукописи УДК 621.793

ХАРЛАМОВ фий Александрович

НАУЧНЫ!? И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕТОНАЦИОННО-ГАЗОВОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

Специальность 05.03.03 -

. гэхнологкя я каявпш сзарошгаго прокзлодстпа

Автореферат диссертация иа соискание ученой степени доктора технических каук

Киеэ 1994

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена о Еосточноукраинском государственной лнюерситете.

Официальные оппоненты: академик HAH Украины, доктор технических лаук Дудко Д. А.,

доктор технических наук Ляшенко Б. , доктор технических наук Уршов Б. А.

Ведунре предприятие: Белорусское республиканское научно-производственное объединение порошковой металлургии

Защита состоится 1995 г. в Ф часов на

оаеедании специализированного совета Д 016.08.01 при Институте электросварки им. Е. О. Патона HAH Украины по адресу: 252650.Ки-ев-Б.ГСП. ул. Боженко, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Института электросварки им. Е. О. Патона АН Украина

Отзывы на автореферат диссертации просим направлять по указанному адресу. г— .

Авторефеоат разослан 199 7 Г.

Ученый секретарь

специализированного совету

канд.техн.наук /Jy «рнадский ЕЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Применение защитных покрытий позволяет решать разнообразные задачи, связанные со снижением материале - и энергоемкости производства и эксплуатации машин, повышением их надежности, созданием и освоением новях изделий современной техники.Перошктивнкш являются способы газотермического напыления гокритий из порошковых материалов.Основными преимуществами детонгцшяю - газового нападения покрытий (ДГНП) являйся: возможность получения прочных покрытий без нагрева изделий в процессе нанесения; стшегае требований к качеству подготовки напыляемой поверхности; Солее широкие возможности в регулировании термического цикла формируемого покрытия и изделия; высокая скорость роста толщины покрытия¡относительная простота конструкций и высокая надежность технологической аппаратур«; высокая платность получаемых покрытий и пр.

В начале 70-х годов в лн.'зратуре практически отсутствовали данные о технологических регамах детояационно-газового напыления, конструкциях и особенностях эксплуатации детовацион-по-газовых установок, поскольку способ использовался только на заводах фярш Union carbide (СТА). Тогда способ ДГНП являлся единственным, обеспечивающим формирование покрытий при высоких скоростях соударения частиц с основой. Отсутствовали теоретические разработай, учштоащие совместное термическое я силовое активирование при образовании газотерличэских покрытий и позволяющие осуществлять научно обосновашшй выбор оптимальных технологических режимов.

Б настоящее время, несмотря на большое количество публикаций, отсутствуют обобщающие теоретические представления о формировании детонационно-газовых покрытий, принципах управления их структурой и свойства!®!, путях совершенствования дата-национно—газовых установок (ДГУ), методологии проектитювтгая технологических процессов (ТП) газотермического напыления покрытий (ГТНП). Существует необходимость обобщения и осинсле-ния теоретического и окппоримвнталыюго материал" ^ля создания научны" основ технологии ДПИ и рекомендаций по разработке технологии напыления покрытий различии видов.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: разработка научных и технологических основ детонационно-газового напыления и создание на этой основе и внедрено в производство эффективных технологических процесов и оборудования для получения защитных покрытий с повышенной прочностью и низкой пористостью.

Основными задачами данной работы являются:

- исследование физико-химических процессов взаимодействия нашляедах частиц с обрабатываемой поверхностью при скоростях соударения до 1000 м/с;

- исследование процессов формирования и поиск путей управления параметрами импульсных гетерогенных потоков в условиях детонации газовых смесей, в том числе с использованием горючих газов - заменителей ацетилена;

-исследование процессов формирования и поиск путей управления структурой и свойствами детонационно-газовых покрытий из основных типов порошков для ГТНП;

- разработка принципов проектирования, создание и внедрение ЛГУ с повышенной технологической надежностью;

- разработка к внедрение технологических, процессов детонационно-газового напыления покрытий.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. На основе комплексных исследований дкна-мшш и теплофизики взаимодействия напыляемых частиц с основой при скоростях соударения до 1000 м/с, сопутствующих процессов их твердофазного взаимодействия и схватывания,' физико-химических превращений в частицах напыляемого материала в детона-циоино-газоЕой струе и при охлаадении формируемых при казвдом единичном цикле напыления микрослоев решена проблема получения защитных покрытий с повышенной адгезионной и когезионной прочность» п низкой пористостью.

Обнаружен эффект неоднородного т>гг.гомэханического активирования и подготовки к схватыванию к-жроучастков основы в зоне соударения с напнляемыш частицами и изучен механизм его протекания. Активирование микроучастков основы осуществляется контактным теплообменом при одновременном ме зническом воздействии ударного.и напорного давлений, контактным тренлем и конвективным теплообменом растекающейся '.-астииы л основой, а так-ке напряжениями в поверхностной Еолне Р.? лея.

Предложен механизм усиления роли иахштичеоха-го ететвиро-

ваиия микроучастнов основы в зоне схватывания с напыляемыми частицами при перехода от гладкой к шероховатой поверхности основы в виде платно расположении сферических лунок за счет увеличения площади контакта, активируемой воздействием напорного давления и контактным трением.

Установлены основные условия, обеспечивавшие образование прочного сцепления частиц с осноеой: нормализация юс взаимодействия, достигаемая при структурно-энергетической адаптации материалов в тонких слоях,щилегапдох к зоне контакта, и ттрэ-дупревденив возникновения процессов поврокдаемости. Необходимыми условиями нормализации являются: пояснительный градиент механических свойств по глубина поверхностных сло-ев,обеспечивгешй нанесением мягких подслоев, созданием температурного градиента и пр.; предупреждение пассивации контактных поверхностей за счет взаимодействия с окруааюцвй средой путем регулирования составе и параметров среда а зоне формирования единичных слоев покрытия; обеспечении яротенашя деформационных процессов на возможно солшэй площади контакта путем увеличения степени растекания частиц и оптимизации микрорельефа поверхности основа; обеспечение необходимой длительности активации поверхности контакта подбором соответствующих размеров частиц; обеспечение условий для взаимного влияния частиц на процесс схватывания путем изменения концентрата порошка в детонациояно-газовом потоке, скоро с. п» чостщ, величины единичной дозы пороика и толщина единичных слоев.

Предложен механизм и разработана математическая иодель образования сварного соединения мезду напыляэташ частица® с основой, учитнващая термофпуктуацнонннй и механический факторы и позволяющая' прогнозировать адгезионную а когезионяув прочность покрытий и производить выбор оптжзлышх значений скорости и температуры частиц.

Предложены и обоснованы механизмы взаимного влияния напыляемых частиц на процессы их схватывания с основой и мезду собою (повышенная частота соударения с шткроучастками основы и их активирование повархноетными волнами Рэлея, вторичное таер-дофазное взаимодействие на границах шжчастичяых контактов под воздействием импульсов давления и тепла от последующих частиц, формирующих покрытие).

Разработаны математические модели процессов да® гения и

з

нагрева частиц порошка в детонациошо-газоком потоке, позеоля-гадае осуществлять выбор радаоналыта технологических параметров. Обосновано применение при детонационно-газовом напылении горивок, газов - заменителей ацетг'вка и достижение требуемых параметров дотонационно-газового потока изменением состава горшей смеси и использованием режимов гшрос катай детонации.

Установлены особенности формирования структуры и свойств детонационно-газовых покрытий из металлов и сплавов, оксидов, интерметаллидов, карбидов переходных металлов и их композиций и сформулированы основные технологически» принципы обеспечения ВЫСОКОГО УрОЕНЯ их свойств.

Обоснованы принципа создания детош.цкстю-гозоЕых установок с высокой технологической надежности» и обеспечения требуемых параметров рабочего цикла - применение стволов с плавным уменьшением в направлен! к выходному торцу поперечного сечения, изменяющимся поперечным сечением, многосекционных стволов, особой струйно-вихревой подачи порошка в ствол, принуда-тельного газоос.'.дена в стволе, наличие средств завиты от проникновения продуктов детонации в систему подачи пороша и пр.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Результаты выполненных автором и при его участии исследований явились основой разработки комплекса принципиально новых технаяолпесгавс и конструктивных решений по создания и внедрению в проктзленность эффективных технологических процессов детонациошо-газового напыления покрытий с повшенной адгезионной и когезионной прочностью и низкой пористостью (около I %).

Созданы участки ДПШ на Куйбышевском моторостроительном заводе им.М.В.Фрунзе, Луганском АП "Лугань", оштшх заводах ВИСХОМ (Москва),1'Д0 "ЛНИТШ" (Барнаул) и ЕЛО "Меданструшнт" (Казань).

Создана и внедрена малогабаритная детонациошо-газовая установка для напыления покрытий с цифровой системой управления рабочим циклом.

Разработаны критерии выбора режимов ДГНП для обеспечения требуемых прочности и структуры покрытий.

Результаты динамики, теплофизики и твердофазного взаимодействия напыляемых частиц с основой могут быть использованы :уи разработке технологических процессов получения покрытий

другими вмсокоскоростнкш методами газотермяческого напыления.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Оснорлше подокения диссертации представлялись на Международных конференциях по металлургическим покрытиям (Сан-Франциско,1Э78;Сан-Дисго,1979); мездуна-родном симпозиуме по проблемам поворхности (Вашингтон,1978); Всесоюзных совещаниях по жаростойким покрытиям (Туда, 1977,1983; Ленинград, 1985; Одесса,1989); Всесоюзных совещаниях "Теория и практика газотермического нанесения покрытий" (Дмитров 1976,1978, 1983,1985; Рига,1980; Севастополь,1988);III Всесоюзном совещания по плазменным процессам в металлургия я технологии неорганических материалов (Москва,1979); Семинарах по диффузионному насыщению и защитным покрытиям (Запорожье,1973;Умань,1974; Клюв,1975; Дрогобыч,1983; Львов,1934; Луганск,I9S8); Всесоюзных конференциях по технологическому горенки (АрзаканЛЭТЗ; Черноголовка, 1978); Всесоюзном совещании "Новые метода нанесения покрытий напылением" (Ворошиловград,1976);научно-тех-нических конференциях "Композиционные покрытия- (Житомир,1979„ 1981,1985); Украинском региональном совещания по газотермическим покрытиям (Киев,1983); Всесоюзном семинаре "Состояние фундаментальных исследований в области порошковых я композяциоа-ных материалов" (Москва,1983); мездународинх семинарах "Газс-терлическое напыление в промышленности" (Ленинград, 19Э1сСанкг'-Петер0ург,1993), а также на других мездународных, всесоюзных, республиканских и отраслевых конференциях и совещаниях.

Материалы диссертации обсундались твккэ на нзучпнх семинарах в Институте электросварки км.Е.О.Патонз, Институте матая-лургии гад.А.А.Байкова РАН .Московском авиационном технологическом институте. Пермском политехническом институте» в Научном Совете ОЕТПМ АН УССР по защитным и восстановительным пакрнткям.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 20S печатных работ,в т. ч.монография (в соавторства) в издательстве "Наука"» справочник (в соавторстве) в издательстве "Каукова думка",, получено 105 авторских свидетельств СССР,патент Франции и патент ФРГ.

СТРУКТУРА И ОЕКШ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения в виде формулировки основных вцеодов, изложенных на 280 страницах маишописного текста,

содержит такие 189 рисунков,14 тэОгащ,список литературы,включающий 549 наименований.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

Принципы выбора знэчояий счорости и температуры напыляемых частиц, основанные на расчетах кинетики их твердофазного взаимодействия с микроучасткошх основы с учетом условий тармо-механнческого активирования и фазовых прэвращешй.

Метода оценки и регулирования параметров голпульсных детонационно-газовых потоков с частицами напыляемого порошка.

Закономерности Формирования структ/ры и свойств детонаци-онно-газовых покрытий из металлов и сшавов, оксидов, карбидов переходных материалов и других материалов.

Технологические решетя детонащхшно-газового напыления покрытий из металлов и сплавов, штерпотвллидов, оксидов, карбидов переходных металлов и их композиций.

Принципы выбора ре'лшов ;тонэциошю-газового напыления покрытий на основе разработанных информационной модели и структурных схем технологической системы ДПШ.

Принципы и технологические приемы управления структурой и свойствами детонационш-газовых покрытий.

Новые технические решения по конструкциям детонацион-но-газовых установок для напыления покрытий.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В работе использованы экспериментальные методы исследования (диагностика параметров импульсной гетероге\пюй струи, испытания детонационно-газовых установок для напыления покрытий и та отдельных узлов, оптическая и злектрошюмшсроскопическая металлография, фазовый и мпкрорентгоноспектралышй анализ, определение твердости и микротвердости покрытий, шжромеханические испытания покрытий методом кинетической микротвордости, механические испытания для определения прочности ецзплотг покрытий с основой на срез и м годом отрьаз штифта, префш>грефпроваийе, испытания на износ и др.); математическое моделирование процессов движения и нагрева частиц порошка в дэтонашгакно-газовой струе и истечения гетерогенной струи,дкиажпм и теплофизики соударения частиц с основой, киЯ'Этйки тверда?. лгого взаимодействия частиц с основой и пр.; отаткппрожэлепмг.я проверка технологических процессов и

оборудования; эксплуатационные испытание напыленных деталей и инструментов; авали:; отечественной и зарубежной научно-технической и латентной литературы.

содержание работы

В главе I проанализированы методы получения защитных покрытий с позиций теории формообразования и предложена и., классификация.Приведен обзор современного состояния ГТШ и выявлены основные тенденция их развития.Рассмотрены особенности метода ДГИП и сопутствующие ему физико-химические явления.

Рассмотрены существенно ваише для настоящей работы результаты научных исследований в области газотершческого напыления покрытий Ю. С. Бори ,ова, А. Л. Борисовой, Б. А.Лятанко, В.В.Ку-динова,И.Л.Куприянова, Е.А.Астахова и др.

В главе 2 рассмотрены вопросы движения и нагрева частиц порошка в потоко продуктов газовой датонацик.Предложена схема, характеризующая основные этапы нагрева и ускорения "порошкового об латка "(ряс Л). Математическая модель движения и нагрева одиночной сферической частицы сведена к составлению уравнений движения и конвективного теплообмена частицы в импульсной высокотемпературной струе и заданием закона распределения параметров газа в струе.

Сравнительная оценка различных пороиковнх материалов по склонности н движению и нагреву в потоке продуктов газовой детонации выполнена на основе критериев газодинамики двухфазных течений - коэффициентов температурного и скоростного взаимодействий .Получены формулы для определения времени нагрева частиц в детонационно-газовом потоке до тешературы плавления <;( времени проплавления Ьт

<1 = + рк^0)Г11п(1 - а + руут - в0л/гвв0- в0л

*и = «^т^гЬпИ - Ш

<Р2 = бсх / йр рр ср где ((^-коэффициент температурного взаимодействия пороши. с га зовнм потоком; а -коэффициент теплообмен^ частицы с газом; , рр,Тр,7р-диаметр,плотность,температура и сколоть частиц порошка соотЕетственно; р, Г, V -плотность,температура и скорость газа;

рис Л. Схема движения и нагрева частиц порошка при детонациошго-газовом напылении. Стадии выгорания и истечения детонационно-га-зового потока: I - приход детонационной волны к порошковому облаку; 2 - приход детонационной волны в определенную точку порошкового облака на расстоянии 1г от закрытого торца ствола; 3 - еыход детонационной волны из порошкового облака; 4 - приход детонационной волны в определенную точку между порошковым облаком и открытым торцом ствола на расстоянии от закрытого торца; 5 - приход детонационной волны к открытому торцу ствола; 6 - встреча порошкоилго обхпка с отраженной г.олиой

с,с -теплоемкость газа и материала частиц; р -объемное содержание частиц порошка в двухфазной части потока;^ = рр / р -коэффициент плотностей потока;КС = ср / с -коэффициент теп-лоемкостей потока;9 = Т / Т -начальная безразмерная тем-

о ро m

пература частицы; Тт -температура плавления материала частицы^ = Т / Т -начальная безразмерная температура газа; S = iT/ с°!Гт-критерий Стефана; ь - скрытая теплота плавления . материала частицы;

08, = V ^Vc^so" V 7 " + PW

• П - exp [~<ç>¿(1 v-Склонность частиц к разгону и движению в детонационно-га-зовом потоке характеризуется коэффициентом скоростного взаимодействия

<р, = 0,75 CD р|У -7р| / PpdpCp

где CD - коэффициент аэродинамического сопротивления частицы.

Разработана методика измерения распределения частиц го скорости в продольном и поперечном сечениях импульсного потока. Впервые экспериментально установлено, что скорость частиц в центре потока превышает скорость периферийных частиц в 2 и более раз.Максимальная скорость частиц в головной части потока достигает 600...900 м/с, а в хвостовой части потока снижается на 20...30%. Расчетные и экспериментальные оценки показывают, что процессы движения напыляемых частиц необходимо рассматривать с учетом совокупного влияния всей массы порошка в облаке „ увлекаемом детонационно-газовой струей. Предложенная модель движения порошкового облака как единого сплошного тела объясняет повышенную дальнобойность детонационно-газовой гетерогенной струи по сравнению с одиночными частицами и дает более близкие к реальным значения перемещений частиц при различных объемной концентрации их в потоке и плотности их материала. Время взаимодействия импульсного гетерогенного потока с основой зависит о'.с ряда технологических факторов и изменяется в пределах 0.5...3 мкс.

Установлена возможность регулирования скорости и темпера туры напыляемых частиц,времени пребывания частиц в детонашмн-но-газовом потоке к времени взаимодействия импульсного гетерогенного потока с основой изменением геометрии и размерев ствола, состава детонирувдей смеси газов„степени заполнения ство-

ла.регсима выгорания горючей смеси,дистанции напыления,размеров и формы частиц исходного порошка,воличины единичной дозы по-1рошка и его хходного размещения в стволе.дополнительными воздействиями на импульсный поток и пр.

В главе 3 рассмотрены вопросы динамики и теплофизики взаимодействия частиц порошка с обрабатываемся поверхностью детали. С ростом скорости соударения увеличиваются действующие в контакте ударное и напорное давления при одновременном уменьшении как времени действия напорного давления,так и величины его отставания от ударного. По характеру динамического взаимодействия частиц с поверхностью выделоно два предельных состояния частиц- сильно деформируемые и жесткие (недеформируемые).

При соблюдении условий

Н(Т)«Н(Т)+%р У2 ; Н (Т )« р У^

р1 р' s s о оз о ' р р ор о

где Н П ), Н,.(Т„) - динамические твердости материалов частицы и основы в момент соударения соответственно, с учетом их температуры Тр к тв ; хо-"К0Г''Мицив! "" формы частиц; соударение тракторизуется интенсивным растеканизм частицы по поверхности жесткой основы.

На основе экспериментальных и теоретических исследований разработана модель соударения сильно деформируемых частиц,позволяющая определить напряжения,действующие на поверхность основы на различных стадиях соударения (рис.2). Центральная круговая зона А диаметром dA= dpVQ/ ср подвергается в начальный момент воздействию ударного давления руи напорного давления Рн в течение всего времени со; ;арения. Средняя кольцевая зона В с наружным диаметром, равным диаметру частицы, подвергается воздействию напорного давления,частично растекащегося кольцевого потока и волны Рэлея. Перифэрийная кольцевая зона подвергается воздействию растекащегося кольцевого потока и волны Рэлея.

Площадь центральной зоны А возрастает с увеличением скорости частиц, но при vq= 1000 м/с не превышает 2,5% относительно общей площади контакта. Поэто"у при формировании ГТП основ-нор Еклад в нормирование адгезионной и когезионной прочности вносят процессы, протекающие в зонах В и С.

После соударения частица приобретает форму диска диаметром где а- доля кинетической энергии частицы, затрачиваемая на ее

а = d Г рр с'?5 120

0 р Со +[(i7ryVoexp (pYzo / RT)1 / 8П

при соударении с частицей моди (vp- боо н/о, <ip-- "о мкм): а -при действии ударного давления; о - ь начальный момент растекания поело снятия ударного давления; в - на стадии растокаыь частицы

где а- доля кинетической энергии частицы, затрачиваемая на ее деформацию и растекание;/ -коэффициент трения при растекании частиш; р- безразмерный коэффициент, характеризующий скорость растекания v (V / vo); о - поверхностное натяжение расплава материала частицы вязкость расплава материала частицы; R -универсальная газовая постоянная.

Для жидких частиц оксида алюминия при скорости до 350 м/с степень расплющивания возрастает, а затем начинается ее резкий спад, обусловленный возрастанием вязкости расплава при увеличении напорного давления.При скорости свыше 600 м/с влияние этого фактора становится столь значительным,что степень расплющивания резко уменьшается до значений .ниже, чем при уо= 100 м/с. С увеличением диаметра частиц степень их расплющивания возрастает.

Методами оптической и электронной микроскопии,выявлением дислокационной структуры, профилографированием зон соударения частиц с поверхностями металлов и монокристаллического кремния выявлено протекание интенсивных сдвиговых деформаций поверхностного слоя основы в кольцевой периферийной зоне контакта с частицей, увеличивающихся с ростом скорости соударения.

При соударении частиц с жесткой основой скорость удара не должна превышать значений

К « « * Pp'WV 7 Ps'V<VV;/<yVVV

где - динамический предел прочности материала покрытия на сжатие. При нанесении покрытий из оксида алюминия v'= 350 м/с.

Оптимальные условия формирования покрытий достигаются при соблюдении правила положительного градиента механических свойств поверхностных слоев основы

27i / d и / а„ $ 0,5 р р Та

где h - глубина внедрения частиц в основу (предварительно сформированный слой покрытия); ар -предел прочности на сдвиг материала частицы;aTs -предел прочности иа сжатие материала основы.

Переход от гладкой к шероховатой поверхности увеличивает относительную площадь контакта, активируемую напорным давлением. Оптимальный микрорельеф поверхности основы моделируется плотно расположенными сферическими лунками. Оптимально диаметр сфер, образующих лунки

Da = ^ / «тл)-°'5 : пл = Нл / о; где йд-гдуоина лунки,-^-диаметр лунки (Яд $ 0,5 ). оптимальная tó

глубина лунки раина четверти ее диаметра.

Давление, действующее на .расплавленную частицу при соударении с основой, повмлает температуру кристаллизации 3*тна величину до 300°с. Температура в контакте расплавленных частиц с основой при действии ударюго давления Г„ = К [Т * (ат / d Р)р С 7 (1 + р О /р С Г- Т1/1К + ф(а)1

К с m га rp р о rp р гз а' о в ^

при действии напорного давления 7, = К ГТ + (йТ /dP.Jp V2 - Т J/fК + ФГа; J

k em m гр о о s

где an - изменение температур! плавления, обусловленное изменением давления на величину 4P; то- начальная температура поверхности основы; Ее= bpCn^/cip)'0 -критерий тепловой активности частицы по отношении к основе Хч,ар,аа~ коэффициенты тепло- и температуропроводности матэри-

алов чвстицн и основы; Ф(а) - функция интеграла вероятности;

2

ol = /ГЯг Дь;- корень уравнения КЕ+ Ф(а) = К^еТ* / а, К^ = сТ /1,7гГ 1> - критерий, оцекивакций скрытую теплоту плавления ь материала частицы.

Соответствующий прирост контактной температуры достигает 500°С и более в зоне действия ударного давления и 20Q...3C0°C в зоне действия напорного давления.

В периферийной зоне С нагрев поверхности основы осуществляется конвективным теплообменом с растекавшейся частицей.Существуют критические значения скорости растекания,при превышении которых наблюдается резкий рост контактной температуры.

При соударении с основой твердых горячих частиц их пластическая деформация приводит к увеличению плотности теплового потока и значительному росту контактной температура Т. = Т (X /IX + X (а о/а )~0,51)

k ро р р з р з

-0.5

Г Г а ехр (Р. In (1 - 7 t/d)] - 1 1 "I

Ть= Г X /\ X + X —Р—--°—33- \

й р [ р 3 L а 2 in (1 - V t/d ) J J

3 _ О P

Здесь 0 t ^ [(dp - hdp)/vo), h - степень расплющивания частицы к моменту окончания соударения (h = h/d );

или

Г Г ехр (2 1п(1 - 7 t d )1 - 1 l-0,5] - ^ 7 Ь L 2 In (1 - 7°Ud~)- J ''i

О p

Величина дополнительного прироста контактной температуры

за счет пластической деформации частиц может превышать 500°.

В главе 4 рассмотрены процессы, протекавшие при схватывании частиц порошка с поверхностью основы. Проанализировано влияние основных конструктивно-технологических факторов на адгезионную и когезионную прочность покрытий. Установлено, что их. влияние проявляется главным образом через изменение характера и интенсивности деформационных и тепловых процессов в зоне контакта взаимодействующих материалов.

Все процессы взаимодействия частиц с основой разделены на три группы: нормальные, сопровождающиеся образованием прочного сцешгния частиц с основой;слабого взаимодействия,характеризующиеся образованием слабых связей или га отсутствием; процессы повреждаемости, приводящие к разрушению поверхностного слоя основы и частиц или к образованию дефектов. Нормализация процессов взаимодействия частиц с основой достигается при динамическом равновесии процессов активирования и пассивации, когда аффективная энергия активирования находится в пределах, достаточных для образования прочных связей,соблюдении оптимального соотношения мевду интенсивностью термической и механической активации и правила положительного градиента механических свойств контактирующих материалов,обеспечивающего локализованное пластическое течение приповерхностного слоя основы.

Изменение относительной прочности сцепления частиц в результате протекания хшлической реакции в контакте описывается уравнением

ЛИ? „ , _ ехр {- «в / ехр ^ '

I 1- патк .

где N(1) - число атомов, прореагировавших за время ^ мо-число атомов на повер.лости основы или частицы в зоне их взаимного контактам- частота собствешшх колебаний атомов; относительное удлинение, при котором мекатомная связь теряет устойчивость и разрывается; о -приложенное напряжение; Е - модуль Юнга; а - коэффициент теплового расширения; ав - коэффициент теплового расширения вблизи поверхности; д = ад / а.

Расчеты показывают существенное снижение прочности сцепления при уменьшении диаметра напыляемых частиц (рис.3). Увеличение скорости частиц приводит к росту прочности сцепления при значениях, обеспечивг-тщих достаточное увеличение механи-

ческого фактора о = ехр[ (з^о /В) /д а ] и компенсирующих уменьшение длительности активации микроучастков по. ^хности основы. Экспериментальные кривиэ относительной прочности сцепления достаточно близко совпадают с расчетными.

Схватывание частиц с поверхностью основы при высоких скоростях соударения интенсифицируется возникновением интенсивного развития пластического течения в ое приповерхностных слоях. Термическое воздействие частицы создает значительный температурный градиент, дополнительно спс эбствуипкй локализации пластической деформации в приповерхностном слое. Пластическая деформация способствует образованию физического контакта и атомным перегруппировкам, ведущим к необратимому разрыву связей (Ме- О) и замене их на межатомные связи между контактирующими материалами.

При ДГШ скорость роста толщины единичного слоя покрытия достигает 5*Ю3 м/с, что более чем па порядок выше по сравнению с традиционными способам! ГТШ. Это приводит к резкому увеличению удельной частоты соударения напыляемых частиц с микроучастками осноеы

р = бр уо/гс , с-1 м-2 и взаимному термомехсническому влиянию частиц на процессы схватывания (соударение частиц с еде поостывшими частицами, ранее вступившими во взаимодействие с основой, приводящее к росту контактной температуры; механическая активация мшсроу-частков основы поверхностными волнами Рэлея смежными частяпч-ми, формирущими единичный слой покрытия; протекание повторных циклов физико-химического взаимодействия на ранее сформированных границах межчастичных контактов под воздействием импульсов давления и тепла, проникающих вглубь мккрослоев при соударении с последуюдами частицами, формярунцими покрытие).

Критерием относительной адгезионной и когезионной прочности и пористости -азотерлгееских покрытий может служить фактор фэр<и частиц, образующих покрытие

Ф = 'I + К<бйГ°'5Г1 с увеличензточ степени расплющивания частиц г зарастает интенсивность термотеской активацпк микроучаст;юз основы вследствие коигективного теплообмена и механической активации контактным трением растекающейся частицы.

%4/No

/л о

Я)0

7QQ 9Q0

Q.8 -

V-

0,8

0,4

0,8 04

0,8

0,4

ч Jy rs- г А

о-/ Ф JJj f ь

I у /

л

1 ц ^ у h

/У

расчетные * ю5 ) =

Рис.3. Зависимость относительной прочности сцепления покрытий из меда с основой из Мо от температуры контакта при различных значениях скорости соударения. Принятые значения: Е (1 3,23; 3,17; 3,11; 3,05; 2,99; 2,93; 2,87; 2,81 МПа при тк = 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900; 1000 К соответственно; о =0; 2400; 4000; 9000 МПа при Yp = 100; 500; 700; 1000 м/с соответственно; dp = 10 (1) и 100 (2) мкм. Для кривых 4 и 5о = 0. Кривые 3 получены вксперимептально

Ш ТОО 300

Тк,К

В главе 5 рассмотрели результата исследования структуры и свойств детонзшганко-газовкх покрытий из металлов и сплавов, гатерлоталлидов, оксидов и тугоплавки?. карбидов. Технологические свойств? нялмляема?. материалов , склонность к формирова-пга газотеруических покрытий) характеризуются следущиш группами параметров: I .трудность нагрева, плавления и разгона частиц порошка (л-эремотр трудности плавления, температура плавления, теплоемкость, плотность, коэффициента температурного и скоростного взаимодействия частиц с газовым потоком п др.); 2.термодинамическая стабильность материала; 3.склонность к-взаимодействию с. гйзово.1 фазой; 4. склонность к схватывании и твердом состояшт (энергия аитаэавдя, когф&тшкм теретюскс-го расширения в объеме и на поверхности, пластичность, дкпат-ческий предел текучести, плотность, скорость звука,к.тзфТяцпацт аккумуляции тепла и др.; Б.полжорфдвм и склоннссть к закати».

При ДГНП порошком ai по мере повышения концентрации о£ в детонирукцей смеси в получаекнх покрытиях: возрастает содержание а - Aig03 ОштенспЕзость линий а- Alalia рентгенограммах увеличиваемся); появляется фаза 7 - Alg 3; в покрытиях из мелкого порошка Al основная фаза 7- AigO.,, интенсивность линий Al и a -AJgO.j на рентгенограммах значительно ниже: в покрытиях из персика с размерен частиц IQO...200 vasa основной фазой остается ai, на рентгенограммах появляются линии a -aigog

Я Л - А12°З •

При напылении порошка сплава Ре Si? Al3 5Cg о фазовым составом a-Fe, 7 -Fe, Fe3 с, Ра2 С, % -фаза происходит распад кетастабильшх фаз % ,Fe3c, Peg с. При увеличении дистанции напыления и соответствующем уменьшен i скорости частиц количество 7-Fe в покрытии уменьшается.

При использовании проная-бутан-кислородной смоса покрытие содержит a -Fe, 7 -Fe, Ге3 С, FegO, Рэ^О^ ,% -фазу. Причем по сравнению с исходным порошком содершп» 7-У возрастает.

При использовании исходного порошки сплава PeSUC3 содержащего a -Ре и % -"эзу, покрытие включает -ре и 7 причем содержание последней с увеличением даст а. ¿щ нвичления уменьшается.

При использовании ксх'дного порошка сплава Pesi^B^ содержащего a -Fe, Ре2В, РеВ, % -фа: .фазовый с .став покрытий из-

меняется мело.

При нанесении покрытий из порошков сплаЕов типа ВК (wc-co) покрытия содержат фазы wc и w^c, некоторые также w и со^ , Co3w9c4 • Co3w3°■ Изменения фагового состава покрытий связаны с протеканием превращений типа не - Wg С -» W; w + Со Co^Wg , гсо0 + WO = С02 + 2Со + W; 3 СоО + 3 WC - WjCo3 с + со + С02 ; WC + HgO W + Hg »■ СО (COg); WgC + Со - W3Co3C.

Кинетика этих превращений определяется гранулометрическим составом порошка, составом и температурой газовой среды в импульсном гетерогенном потоке, длительностью пребывания в нем частиц порошка и оказывает решающее влияние на физико-механические свойства покрытий. При оптимальных режимах ДГНП механические свойства покрытий wc-co по данным испытаний методом кинетической микротвердости близки к свойствам спеченных твердых сплавов такого же состава. С увеличением расхода порошка и толщины единичного слоя покрытия свыио 7 мкм твердость покрытий снижается, в их составе появляется w. Снижение скорости охлаждения единичных слоев покрытия в этом случае интенсифицирует протекание превращения wc *■ w2c *• w . В покрытиях наб-лвдается снижение содержания углерода до 60 ...80 % от стехиометрического .

При микромеханичг тадх испытаниях покрытий из механических смесей ВК8, композиционного порошка BKI8C, порошков смесей ис-со и Сг3с2- И1 с размерил частиц 20...60мкм обнаружено наличие ослабленных границ между единичными слоями' покрытий. По результатам микромеханических испытаний модуль упругости покрытий из порошка ВК8 изменяется в пределах (2...3,4) Ю5 МПа в зависимости от режимов ДГНП.

При ДГНП порошком электрокорунда белого (А1г о3 ) дисперсностью 10...14 мкм обнаружена высокая чувствительность характеристик покрытий от положения порошкового облака в стволе, состава горячей смеси, степени заполнения ствола свежей горючей смесью, дкеташ-и напыления, расхода транспортирующего газа. Возможно получ'-лгае высокзчественных покрытий в рржиме леполяого заполнения ствола горьчей смесью.

Изменение технолс ^ичоских реюдлв ДГНП резко втгяэт на кинетику фазовых превращений AigOg, Рели на рэни это граммах исходного порошка с размером »з:тиц IX. .¿'.ос .чкм имеют«. тсл-ко линии a -Alg03 , в покрытая;; инт^ьсиглюм s л фазы

уменьшается и появляются линии других фаз:7,в,0,х . Содержание а и этих фаз в покрытии зависит от размера частиц, времени пребывания их в детонационно-газовом потоке, способа подачи порошка и других факторов. Высокая плотность покрытий достигается при использовании исходно!.) порошка дисперсностью не болев 50 мкм. При использовании элиминированного порошка дисперсностью 60 мкм экзотермическая реакция окисления А1 способствовала дополнитзльному прогреву частицы и поэтому содержание а-А12о3 в покрытиях незначительно.

В покрытиях, нанесенных из мехэгапеской смеси порошков А12о3+ сг2о3дисперсностью 50 мкм, основными фаззми являются 7- и а- А1го3.В зависимости от скорости охлаждения едапгшого слоя может происходить распад неравновесной 7- фазы с переходом ее в а- фазу. Это подтверждается наличием в покрытиях промежуточных фаз 9 - и 0 - а:2о3. С увеличе:глем толщины единичного слоя покрытия уменьшается скорость охлаждения частиц и интенсифицируются превращения; ь-т-'О-в-а -А12 03 . Прочность сцепления похфытий со стальной основой составляет 40...50 МПа. МикротЕердость покрытий в поперечном сечении покрытия неоднородна. У слоев, прилегаках к основе, она составляет 10130...14150 Ша, на расстоянии 0,15 т от основа -14150...21140 Ша, на расстоянии 0,25 ш от основы -18020...232000 МПа. Это связано с уменьшением скорости охлаждения микрослоев по мере наращивания толщин • покрытия.

При использовании режима пересжатой детонаций пропан-бутан-кислородных смесей получены прочные покрытия из диоксида циркония.

При нанесении покрытий из порошка рутилового концентрата ТЮ2 дисперсность^ 40 мкм протекают процессы восстановления ' ТЮ2 до высших оксидов ИдО^ ТЮ3,Т1203. а также полиморфные превращения ТЮ2 (покрытия содержат рутил, аиатаз, брунит).

При ДГНП порошками Ре^Од и со3о4протекавт процессы восстановления этих оксидов, вплоть до образования чистых металлов. Подавление этих процессов происходит при увеличении содержания в горючей смеси кислорода и азота.

Научено влияние ряда технологических факторов на прочность сцепления детонациопно-газовых покрытий.

При ДГНП мелкодисперсных механических смесей сплавов ЕК8 и ВК15 (етс-Со) максимальная прочность сцепления на отрыв с ти-

тановыш сплавами В?9 и BT3-Ï 160 '.,'Пв достигается при дистанции напыления 150 мм и предварительной струйно-абраэтзной обработке напк '.некой поверхности корундом. При подготовке поверхности основы чистовым точением увеличение высоты неровностей vtz с 10 до 16 мкм псылгь.^т прочность сцепления с 50 до 120 ЫПа. Пря CAO с увеличением Rz с 20 до 27 шш прочность оцепления возрастает с 56 до 140 МПа. Увэличенио длительности GAO (с 5 до 120 с), приводящее к перонаклепу поверхности и Rz = 36...39 юм снижает прочность сцеплегоп до 35...90 МПа.

С ростом ЮЛЩИ1Ш погфЬ'Т/я свыше 0,2...0,3 мм прочность сцепления снижается. При повгаюнш температуры испытаний прочность сцепления возрастает вследствие частичного снятия внутренних напряжений в покрытиях и повыыоная пластических свойств • покрытия и основы в целом.

Максимальная прочность сцсшюния этих покрытий на срез (120) МПа достигается при дистанции напыления 100 мм. Это подтверждает влияние форта наго.'члемсг! поверхности на взаимодействие ее с импульсным гетерогенном потоком. Цилиндрические образца диамет^юм 19 ш для испытаний на срез легко обтекаются штоком в отличие от взаимодействия с плоскими торцами штифтовых образцов.

Прочность сцопле?шя на отрыв покрытий из порошков BKI5 (3...5 мкм) и BKI8C (10 мкм) со сталью XI7H2 после CAO составляет 150. ..170 КПа. Однако при -латтлении образцов в процессе их перемещения перед стволом ДГУ прочность сцепления плавно сшжются до 80... 100 МПа по коре уволичеппя скорости перемещения до 25 мм/с. Го мере увеличения скорости перемещения суммарное тешювлогенде в основу от последовать лышх циклов воздействия импульсных гетерогенных потоков распределяется на большей пловдди ншнляекей поверхности и ее средняя теыперату- -ра снижается. Поэтому с увеличением скорости перемещения для получения равноценной прочности покрытий необходимо применять сопутствующий подогрев для поддевания рациональной температу-ри поверхное i основы в зона формирования единичных слоев покрытия.

При ДЛИ пороз:ка:.га нихрома IK20H80; BKI8C (У/с- 18* со) и КХЗГШС ( сг3сг-153! ni ) na иткфтовые образцы из сталей 20;45 (irse 3j — 39) и 9ХС (HRG г> ...5о) нпблюдаотся уменьшение прочности сцчшюнпл покрытая «о море увеличения твердости стальных

образцов. С увеличением предела текучести материала основ» затрудняется протекание деформационных процессов в зоне контакта с напыляемыми частицами и для образования прочных мож~ честичных связей и покрытия с основой в целом при прочих равных условиях необходимо увеличить температуру предварительного нагрева основы.

Основными направлениями управления структурой и свойствами детонационко-газовых покрытий являются:!.регулирование величин и соотношения кинетической и термической энергии частиц; 2.регулирование толщины и размеров единичного пятна напыления, скорострельности ДГУ и относительной скорости перемещения ДПг и изделия; 3.изменение дисперсного состава и формы частиц порошка; 4.регулирование термического цикла формируемого покрытия использованием предварительного, сопутствующего шш после-дуидего нагрева или охлаздения; 5.использование переменных режимов напыления для отдельных слоев и зон покрытия (изменение состава и расхода газов и порошка,скорострельности,дисперсности порошка, дистанции напыления и пр.); 6. регулирование соотношения между содержанием в покрытии аморфной, микрокристаллической и кристаллической составляющих, метастабильных и равновесных фаз подбором соответствующих рекимов напыления; 7.регу-лирование степени протекания физико-химических превращений в частицах порошка (полиморфных,диссоциации,окисления,взаимодействия мезду компонентами композиционных тороаков и пр.) изменением времени пребывания частиц в детонациоино-газовом потоке,состава и параметров газовой среда.дисперсности порошка и пр.; 8.легирование напыляемых порошков как с целью обеспечения требуемых свойств покрытия так и повышения их склонности к формированию покрытий (стойкость к окислению в детонационно-газовом потоке,склонность к схватыванию и пр.); Э.применение композиционных порошков; 10.напыление покрытий в режима нагрева частиц до предплавильных температур; II. обработка напыленных покрытий (термическая,химико-термическая,термомеханическвя и пр.); 12.изменение макроструктуры пс..рытий путем последова-те."ъного нанесения слоев,полос и пятен с плавгл. или резким и8мене"ием ооотава, нанесением дискретных покрытий.

Для подавления процессов окис..^ния активных нап^-лявюг материалов рекомендуется Уменьшать врем;. пребывания частиц с, детонационно-газовом потоке (поЕтать интенствность разгона и

скорость частиц.уменьшать путь разгона и движения частиц),увеличивать объемную концентрацию порошка в детонационао-газовом потско. использовать дотонационно-газовые потоки с восстановительной или нейтральной средой, использовать добавки инертных, газов для снижения парционального давления кислородсодержащих газов.использовать переменный состав горючей смеси по длине ствола, исключать или уменьшать взаимодействие импульсного потока с окружающей воздушной средой созданием высокоскоростных спутних штоков защитного газа и пр.

При напылении аморфнзирукяцихся материалов следует увеличивать скорость частиц при минимальном перегреве еышо температуры плавления, уменьшать скорострельность, расход порошка и толщину единичных слоев, увеличивать скорость относительного перемещения ДГУ и изделия, производить охлаждение зоны фор.гп-рования покрытия.

При напылении материалов, диссоциирующих при нагреве.например,карбида вольфрама, рекомендуется уменьшать время пребывания частиц в высокотемпературном газовом потоке, увеличивать скорость охлаждения частиц и единичных слоев.уменьиать их толщину.

При напылении материалов,претерпевающих полиморфные превращения,когда фиксация высокотемпературных фаз нежелательна,например,оксида алюминия, следует уменьшать скорость охлаждения частиц и единичных слоев в процессе формирования покрытая увеличением их толщины,применением сопутствующего нагрева и пр.

В главе 6 на основе анализа сформулированных технологических требований ДГШ рассмотрены принципы разработки дотона-циошо-газовых установок для напыления покрытий. Конструкция ДГУ должна обеспечить требуемое условиями ТП стабильное протекание таких процессов, как выгорание горючей смеси, движение и нагрев частиц порошка, в т.ч. при использовании горючих газов - заменителей ацетилена, дозирование и подача порошка в ствол.

Управлять режимом выгорания горючей смеси, движением и нагревом частиц порошка можно изменением параметров ствола.

Предложена стволы как с постоянным,так и изменяющемся по длине поперечным сечением, с подводом горючей смоси к средней части ствола и выхлопом продуктов сгор;>т;я через открытые торцы, разветвляющиеся и петлеобразные, I' отюлы с радиаль-

П

ным истечением продуктов детонации.Разработаны конструкции стволов, сбеспэ'гавзжзие выгорание свежего заряда в режиме пе~ рэсзатой детонации и болея эффективный вноргообмэн с газовым потоком.

Другим способом управления режимом выгорания горшей смеси является воспламенитель, место его установки и характер работы. Предложены воспламенители, устанавливаемые на выходе из ствола, установка воспламенителя в сопле подачи транспортирующего газа в порошковый питатель, одновременно являющимся камерой зажигания, кольцевая форкамера зажигания, использование мощных электрических разрядов.

Для повышения энергетических параметров потока продуктов детонации предложены ДГУ с предварительна,! скатаем горючей смеси в стволе, а также ее подогревом.

Рассмотрены процессы газообмена в ДГУ и сформулированы условия локализации горения в стволе. Для улучшения очистки ствола от остаточных газов предложены ДГУ с вакуумной откачкой. Для регулирования степени нагрева и ускорения частиц предложеш ДГУ с наполнением секций ствола свежими газами различного состава.

Основными факторами, влаяпциш на исходное положение порошкового облака в стволе, являются скорость газа в стволе, временные интервалы циклограммы РЦ, время релаксации частиц порошка в газовом потоке и начальная скорость частиц порошка.

Проанализированы способы ввода порошка в ствол ДГУ.Предло-жены ДГУ.обеспечиващие защиту систем подачи порошка от обратных ударов из ствола, с двумя порошковыми питателями, обеспечивающие локализацию и равномерное распределение порошка по сечению ствола,с подачей напыляемого материала газопламенной горелкой, подачу порошка продуктами детонации в стволе, а также использование в качестве напыляемого материала продуктов электрического взрыва проводников. Предложены конструкции порошковых питателей, обеспечивающие циклическое дозирование к подачу порошка в ствол, в т.ч.обеспечивающие дозирование и подачу мелкодисперсных порошков.

Систематизированы и предложены новые схемы газообмена ДГУ. Разработаны инфекционные смесители, совмещенные с газораспределительными устройствами. Предложены ДГУ с допо;шитель-штд перемешиванием горючей смеси при поступлении в спал, по-

догревом компонентов горючей смеси перед смешением, использованием жидкого горючего, а также с устройствами прерывания подачи горючей смеси обратными ударами из ствола. Для защиты систем газопитания ДГУ от обратные ударов предложено использовать обратные газодинамические клапаны.

Показано, что взрывобезопасность ДГНП сопоставима с другими процессами газопламенной обработки и обеспечивается правильным выбором схемы и принципа действия ДГУ, а также компановки и размещения оборудования . Перспективно создание ДГУ о САУ, когда газорегулирующая аппаратура автоматического действия устанавливается непосредственно не ДГУ и отпадает необходимость в наличии щита газорегулирования на рабочем месте оператора.

Создана и внедрена компактная детонационно-газовая установка, отличающаяся конструктивной простотой,малой металлоемкостью, высокой надежностью (рис. 4 ).

В главе 7 рассмотрены основы проектирования, разработки и внедрения техн-логических процессов ДГНП. Предложена структурная схема проектирования ТП получения ГГП. Разработана информационная модель проектирования операции ДГНП.

Разработана и внедрена технология упрочнения быстроизнашивающихся деталей и рабочих органов оборудования легкой промышленности (транспортные органы в виде губчатых реек и роликов, колокольные ножи для срезания краев деталей из кожи, клещи затяжных машин, направляющие двоильно-ленточных машин и др.). На Луганском арендном предприятии "Лутань" создан участок ДГНП.

Многократное повышение срока службы достигнуто при нанесении износостойких покрытий на детали сельскохозяйственных машин - диски сошников сеялок, измельчающие ножи барабанов, -молотки дробилок агрегата для приготовления витаминной травяной муки и др.

Результаты работы использоьаны НПО "АНИТИМ" при создании ДЬ для упрочнения шкивов клиноременных передач комбайнов«

пиления порошковых покрытий (шесте с блоком управления)

Габаритные размеры,мм: пушки - 835 х 405 х 470 ; пульта управления - 380 х 335 х 280. Длина ствола - до 450 мм. Диаметр выходного торца стеолэ: 25; 20; 15; 10 мм. Скорострельность - 4 Гц. Рвсходы газов, куб.м/ч, не более: пропан-бутан -5,0; кислород - 5,0; сжатый Еоздух - 1,0. Расход напыляемого порошка - до 0,15 г/цикл. Потребляемая мощность - 0,18 кВт.

"Дсн" и других деталей сельскохозяйственных машин. Совместно с ВИСХОМ и заводом "Ташсьльмаш" проведены работы по упрочнению шпинделей хлопкоуборочных комбайнов.

Результаты работы использованы при создании уастка ДГНП на Куйбышевском моторостроительном объединении им. М.В.Фрун~з для нанесения покрытий на бандакше "олки лопаток компрессора ГТД. На Зппороа.ком ПО "Моторостроитель" прокедоны рабсгы пе упрочнению посадочных поверхностей корпуса компрессора ГТД. Получены' полоятаолишс результаты при упрочнении матриц

гибочных штампов, восстановлении деталей станков и технологического оснащения (планшайб, прижимов, оправок, кондукторных плит и др.) .ряда автомобильных и тракторных деталей.

................■ ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

I. На основе комплексных исследований рабочего цикла установлено влияние технологических параметров на процессы формирования покрытий и сформулированы основные принципы создания и внедрения перспективных технологических процессов и оборудования детонэциопно-газового напыления покрытий с повышенной адгезионной (до 180 МПа) и когезиошой прочностью и износостойкостью и пористостью около I % с использованием горючих газов - заменителей ацетилена.

?.. Установлено, что выбор рациональных значений скорости и температуры напыляемых частиц для получения покрытий с высокой адгезионной и когезионной прочностью должен проводиться с учетом ограничения возникающих в контакте динамических напряжений динамическим пределом прочности материала поверхностного слоя основы. При формировании покрытий из твердых частиц значения их скорости и температуры выбираются из условия, чтобы . инерционное сопротивление (рр v^ ) превышало значение динамической твердости в 1,5...2 раза. Для достижения высокой прочности покрытий значения скорости и температуры частиц должны обеспечить их деформацию и растекание с уменьшением высоты в 10...20 раз по сравнению с исходной.

3. Показана возможность формирования детонационно-газовых покрытий из металлов и сплавов в режимах: а - жидкими частицами со скоростями их охлаждения, обеспечивающими их кристаллизацию, в т.ч. с фиксацией метастабильных состояний; б - жидкими частицами со скоростями охлаждения, обеспечивающими их затвердевание с получением аморфной и микрокристаллической структуры; в - твердыми частицами, нагретыми до пластичного состояния; г - в режиме горения частиц с получением оксиметалличес-ких покрытий; д - комбинацией двух и более указангих выше режимов.

4.Установлено, что рациональные услоят: получеьия покрытий па основе карбидов переходных меть плов соответствуют нагреву частиц до дредплавильных температур (0,6.. Л) т , ско-

роста соударения частиц с основой 300...600 м/с, температуре поверхности основы свыше 0,4 ®т, минимальному времени пребывания частиц в детонацконно-газовом потоке с минимальным содержанием паров воды, добавками азота или использующих в качестве окислителя воздух, обогащенный кислородом.

5. При напылении покрытий порошками сплавов wc-co формирование прочных покрытий с прочностью сцепления до 160 Ша при подавлении процессов диссоциации wc и окисления Со в детонаци-онно-газовой струе и последующего образования двойных карбидов вольфрама вследствие взаимодействия соо о wc достигаются при скорости частиц 300...500 м/с, температуре частиц 2500...2770 °С, температуре поверхности основы 450...850°с, скорости охлаждения единичных микрослоив покрытия не ниже 5*103 К/с и использовании конгломеркровзгашх порошков.

6.Установлена возможность получения покрытий из оксида алюминия с повышенным содержанием а - фазы, микротвердостью 18000...230СЮ Ша и прочностью сцепления со -тальной основой до 50 Ша. Рациональными технологически?.!! параметрами являются: скорость частиц 300...400 м/с, температура частиц 2000 ...2300°С, температура в контакте между частицами и основой во время формирования единичных микрослоев не менее 2000° С и скорость их охлаждения не Ешпе I03..Л04оС/с.

7. Основными условиями формирования прочных покрытий являются: нормализация процессов взаимодействуя частиц с основой и исключение процессов повреждаемости; обеспечение правила положительного градиента механических свойств микроучастков основы в зоне соударения с напыляемыми частицами; активация большей части площади микроучастков основы контактным трением растекающихся частиц; предварительная подготовка основы с созданием микрорельефа в виде плотно расположенных сферических лунок с диаметром, превышающим диаметр напыляемых частиц в 1,5...4 раза; обеспечение условий для взаимного влияния частиц на процессы их схватывания; поддержание оптимальной температуры основы в зоне формирования единичного слоя покрытия.

8. Сформулированы основные принципы разработки детонаци-онно-газовых установок для нанесения покрытий: соответствие конструктивной сложности и производительности условиям производства (серийность производства,свойства населяемого материала и пр.); применение стволов с изкеняюздася то длтше попереч-

ним сечением с созданием режима пересжатой детонации на разгонка« участке ствола длиною не менее 150...2ûQm; использование режкмо!. нестационарного горения горючей смеси; гибкость управления наполнением ствола свежей горючей смесью и порошком и др.

Разработаны технические решения по отдельным узлам ДГУ.обеспечивающие возможность управления услошями формирования покрытий и повышения эффективности процесса.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЩИ

I.ßbpsopoB М.Х.,Харламов Ю.А. Физико-химические основы детонационно-газового напыления покрытий.- М.:Наука.-1978.-224 с.

г.Газотермичоские покрытия из порошковых материалов: Справочник //Борисов Ю.С. ,Хар; змов Ю.А.,Сидоренко С.Л.,Арда-товская E.H. - Киев:Каук.думка. - 1987. - 544 с.

3.Харламов Ю.А. Фжзико-химичеокке и технологические проблемы детонационно-газового напыления покрытий // Физ. и зим. обраб. материалов. - I98S.- ы 1.-С.74-61.

4.Kharlamov Y.A. Detonation Spraying of Protaotive CoatlngoZ/MaterialB Science and Engineering,93(1987), p.1-37.

5.Хврламов Ю.А. Взаимодействие детонащюнных волн и высокоскоростных импульсных потоков газа с дисперсными материалами при напыления //Фи:. и хим. обраб. материалов.- 1979. -N э. - С.24-29.

6.Харламов Ю.А.,Рябошапко Б.Л. О скоро -,ти частиц при детонационном напылении //Порошковая металлургия. - 1975. - N 2. - С.33-37.

7.Харламов D.A. Использование высокоскоростных импульсных потоков газа для напыления покрытий //Физ. и хим. обраб. материалов. -1975. - к б.- С.69-72.

8.Харл^лов Ю.А.Движение и нагрев частиц порошка в потоке продуктов газовой детонации//Порошковая металлургия.- 1989.- ы 4.-С.48-52.

9.Харламов Ю.А. О роли скорости к температуры частиц при газотермическом напылет.л//Физ. и хим. обраб. материалов.-1983.-К 3.-С.69-73.

S8

Ю.Харламов Ю.А.О моделировании процесса соударения частиц с поверхностью при газотермическом ненесетга покрытий //Физ. и хим. обраб. материалов.- 1Э90. - н 4. -С.84-89.

11.Харламов Ю.А. Экспериментальное исследование пластической деформации при детонационном напнлонии/Л1ороиковая металлургия.- 1988.- N 10.- С.70-77.

12.Харламов Ю.А.Очистка подложек от поверхностных пленок в процессе напыления порошков/ТПороижовая металлургия.- 1983. - К 11. - С.41-47.

13.Kharlamov Y.A.,Hassan M.S..Anderson R.N. Cleaning and Surface Preparation Technology and Other Factors Related, to Coatings Produced by Flame Spraying/ZSurfaco Contamination. Genesis.Deteotion and Control. Vol.1. Edited by K.b.iiittal.-New York: Plenum Press.- 1977. - p.407-441.

14.Kharlaraov У.А.,Hassan M.S. .Anderson R.'i. Effect of Substrate Surface Conditions and Impact Telocity of Sprayed Particles on Coating Produced by Plasina Spraying//Kiin Solid Films.-1980. V.63.IJ 1.- p.111-118.

15.Харламов Ю.А. Напряжения на поверхности детали при соударении с .расплавленной частицея//Фяз. и хил. обраб. материалов.-I9S0.-к 6.-С.80-85.

16.Харламов Ю.А.Процессы соударения частиц с поверхностью детали при гпзотермнческом нанесении покрнтий//Известия СО АН СССР.Сер.техн.наук.-1938.-N 11, вып. 3.-С.71-80.

17.Харламов Ю.А. Термическое взаимодействие частиц с под-логой с учетом скорости их соударения при газотерлическом на-пылегатаи/Л1звестия высних учебных заведений.Мапашостроение.-1982.- И 1.-C.I52-I5G.

18.Харламов'Ю.А. Влияние скорости соударения на термический цикл в контакте мезду расплавленной частицей и поверхностью твердого тела//©из„ и хим. обраб. материалов.-I9S7.- и 6.-С.82-87.

1Э.Харламов О.А. Контактный теплообмен при растекании расплавленных чаетац на твердой поверхности//Физ. и хим. обраб. матвриапсв.-гээо.-М S.-C.86-30.

20.Хар?шкоЕ 30= А. Термическое взаимодействие твердых частиц с деталь» s .учетом пластической деформации при газотермическом яадаевнщ покрытяЯУ/Физ. и хим. обраб. материалов.-I988.-S 4, -0,73-78.

Z9

21 .Харламов Ю.А. Особенности тепловых расчетов при гаэо-термическом нанесении покрытий//Сварочное производство.-1988.-н 9. -С.30-3^.

22.Харламов D.A. Классификация видов взаимодействия частиц порошка с подложкой при нанесении покрытийУ/Порошковая металлургия.-1988,- N 1.-С.18-22.

23.Харламов D.А.Кинетика схватывать, частиц порошка с поверхность!) детали при газотермическом ненесении пократий//По-рошковая металлургия.-1989.-N 3. -С.50-51.

24.Харламов D.A. Факторы, влияющие на адгезионную прочность газотермических покрытий//Зациттаге покрытия на металлах. -Вып. 22 . -Киев : Наук .думка . -1988 . -С . 30-34 .

25.Харламов !0.А. .ГСориоров М.Х. Условия взаишого влияния напыляемых частиц на формирование покрнтий//Физ. и хим. обраб. катериалов.-1977,-н з.-С.са-74.

SG.Sharlamov Y.A. Bonding ol Detonation Sprayed Coat 1ще//Thin Solid Plbn3.-197e.-Vol.54.-No.3.-p.271-278.

27.Харламов В.А.Механизм пластической деформации при формировании газотермических покрытий//Порошковая металлургия. -IS88.-H 12.-С.31-37.

28.Харламов Ю.А. Влияние скорости капель в момент удара о твердую поверхность на их кристаллизацию/УПорошковая металлургия.- 1991. N 8.- С.23-30.

29.Харламов Ю.А. Прогнозирование пористости порошковых покрытий// Порошковая металлургия.- 1990. - н 12. - C.36-4I.

30.Получение дэтонащинных твердосплавных покрытий из механической смеси мелкодисперсных порошков/Ю.А.Харламов,Л.И.Ка-линин, В. В. Рипган, Б. Л. Рябошапко, А. Н.Краснов//П 1роиковая металлургия.- 1978.- N 4.- С.41-46.

31.Исследование прочности сцепления детонационных покрытий/В.В.Ришин, Ю.А.Харламов, Л. И.Калшпш,Б. JI. Рябошапко и др.//3адатные покрытая.- Л.-.Наука.- 1979.-С. 100-104.

32.Влияние скорости перемещения напыляемой поверхности на кг. .ество дв^онационно-газовых покрытий/М.И.Лившиц,Ю.А.Харла-мов,М.Х.Шоршоров,Э.Н.Капустян//Поро1шсовая металлургия,- 1981.-N2.- С.34-37.

33.Харламов Ю.А. .Лившиц М.И. Прочность сцепления и деформируемость материалов с Аетонационно-газовыш покрытиями из •¡сходного порошка ВК-18С//Порошковая металлургия.- 1983. - N

5.-С.74-78.

34.Харламов Ю.А.,Лившц М.И.,омельченко В.В. Влияние твердости стальных деталей на прочность сцепления детонациои-но-газовых покрытий//Сварочноэ производства.-1990=- н ю.--0.20-23.

35.Харламов fl. А.Формирование зона контакта детонационных покрытий с подлоккой/Л!ороглшвая металлургия.- 1983.- N 9.-С.31-35.

36.Изменение фазового состава порошка БК8 при детонацион-но-газовом пагашнии/Ю. А. Харламов, Б. Л. Ряботзапко, D. И. Писк-лов , Г. П. ПЬмрева/ЛТоропковая металлургия,- 1985.- и 11.-С.80-85.

37.Оценка свойств детонационио-гвзоЕнх покрытий методом микромеханических испытчний/В.А.Харламов.М.Х.Шорторов.С.И.Бу-лычев.Ю.И.Писклов и др.//3ащитные покрытия на металлах .-Выл.19.-Киев: Наук.думка.-1985.-С.36-39.

38.Kinetic nicrohardnesa of coatings produced by D-Gun Spraying/Y. A.Kharl ало v ,B.L.Ryuboshapko,I.V.Scha t inin,И.Kh.Sho-rshorov,S.I.BuXychev//Advancев In № ;пгл1 Spraying: Proceedings or the Eleventh International Thermal Spraying Conference. -M.Y. sPergamon Press.-1986.-p.621 -630.

39.0 формировании детонациошю-газовых покрытий из оксида аляминия/Ю.А.Харламов,М.И.Анисимов,В. II. Гольдфайн,В. Д. Андре ева и др.//Жаростойкие неорганические покрытия.-Л.:Кау-ка.-1990.-С.125-128.

40.Детонационно-газовая аппаратура для напыления покрн-тий/М.Х.Шоршоров,В.А.Харламов,Ю.И.Писклов.Б.Л.Рябоиапко.- И.: Институт металлургии им.А.А.Байкова АН СССР Щрегтинт)-1980.-65 с.

41.Харламов D.А.Конструктивные схемы детонационно-газошх установок для обработки порошковых мятериалов//ПорсЕковая металлургия,- 1986.- N 1? -С.89-95.

42.Харламов Ю.А.Технологические требования к автоматизации процесса детонационно-газового нанесения покрытий//Автома-те. .еская сварка.- к 1.- 7.62-67.

W.Kharlamov Yu.A.,Gorb b.l.Small-sised De .onation-Саз Inatallation fc • Applying Powder CoaHrve//Heat Treatment ar. . Surface Coating l'eohnolcjy. New Technology and Application Practice:fiaterialB of the 7th. I: ^ernational Congress for the

Heat Treatment оГ Uatefials.Vol.V1.-Koscow.-1990.-p.89-95.

44.Харламов П.А. Основные направления создания основ технология газотермического нанесения покрытий//Сварочвов производство. -I93G.- ы 1.-С.10-12.

45.Харламов Ю.А. Задачи проектирования технологических процессов газотермичоского напыления покрытий//Сварочное производство. -19ЯП.-Н 10.-С.20-22.

46.Харламов O.A. Взрывобезопасность при детонацлонно-га-зовом нанесении покрнтий//Сворочное производство.-1983.-ы 3.-С.38-39.

47.Харламов П.А. ,Горб Л.Л.Компактная детонационно-газовая установка для нанесения порошковых покрытай //Сварочное производство. - 1991 - N 1.-С.18-19.

48.Харламов Ю.А.Допустимая скорость частиц при газотерли-ческом нанесении покрытий //Сварочное производство - 1989 - н 8 - С.35 - 37.

Разработанные технические решения на способы и устройства ДПШ и методы его контроля защищены авторскими свидетельствами СССР NN 509834, 543221, 687666, 636045, 690837, 736436,946060, 959326, 625339, 655109,702584, 769857, 790427,1572147,1728582, 583566, 587670, 584453, 599412, 733139, 739781, 790433,828487, 907913, 750830, 752892, 898656, 736438, 739787,1716253,847571, 993649 , 723832 , 739786 , 769856, 539400,752893,1410348,1518979, 9803"*8, 736441, 769853 , 548953, 790426, 1179776,633187,636847, 739783, 803211, 803214, 836849, 907912, 668139, 739784,764224, 671088, 723833, 747077, 756707, 790429, 1102131,585647,690686, 736439, 629682, 736442, 747011, 752894, 803209,938458, 984129, 942299, 1464626, 803212, 790428, 803213, 790431, 756706, 982233, 1464625, 1595139. 790430, 803207,882061,980319,674886, 731649,938459.587671.

Подписано к печати 23.Х1.94. Формат 1/1f> 60x84 2,25 П.л. Заказ Н 56Q . Тирах 100

Отпечатано на участка оперативной польт-рафьи ЛУГУ 348034 г.Луганск кв. Молодежный, 20-а

г

Харламов Id А. Научные и технологические основы детонационно-газового напыления покрытий. Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.06 - технология я машины сварочного производства, Ин-т электросварки им. Е. О. Пиона НАН Украины, Киев, 1994.

Работа посвящена исследованию механизма формирования покрытий при детонационно-газовом напылении порошковыми материалами. На основе системного подхода рассмотрены основные стадии рабочего цикла. Изучено влияние основных технологических параметров на энергетическое состояние напыляемых частиц и соответственно на условия формирования покрытий. Рассмотрены особенности форми-хтания и пути управления структурой и свойствами детонацисн-ю-газовых покрытия. Сформулированы основные принципы проекти-ювания детонационно-газовых установок для напыления покрытий. )супрствлено промышленное внедрение разработанных устройств и ■ехнологических решений. Результаты исследований олублшссвшгы , 206 научных работах и 105 авторских свидетельствах, лючов! слова- газотермчне налилення; порошки; шцшсть эвяэ-у покриття а основою; температура i швидкють руху частшшк; ластивост! покрить

harlaniov Yu. A. The soientirio and technological principles Г detonation spraying of protective coatings. Manuscript, dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences i speciality 05.03.06 - technology and machines of welding -oduction. The Paton Institute of electric voiding of the it ion. Acad, of Sciences of the Ukraine, Kiev, 1994. ю objective of this research was to investigate the mechasm of coating' formation by detonation spraying of powder iterials. The system analysis of all the stages of the work-ig cycle's were used. An Investigation vas conducted to defi-i the basic technological parameters of detonation spraying at determine the energy state of powder particles and con-qucntly the conditions of coating formation. Relationship? tween structure and properties of detonation coatings ind e technological parameters of detonation sprayins aro cbtai-d. The main principles of D-Gun design are also discussed, з results or this study are publ1shed in 206 soentific jers and 105 patents.