автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.04, диссертация на тему:Оптимизация параметров процесса нанесения защитных покрытий газотермическими способами в производстве летательных аппаратов

Министерство науки, высшей школы и технической политики Российской федерации Сибирская аэрокосмичвская о:сэдвгаш

. На правах рукописи Для слуг.ебкаго пользования Экз.

ЖКУШКИН Николай Викторович '

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА 1ЩФСЩЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИИ ГАЗОТЕЩТЧЕСШШ СПОСОБЕН! •В ПРОИЗВОДСТВЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Специальность: 05.07.04 - Технология производства

•летательных аппаратов

Автореферат

диссертации н^ соискание ученой степени кандидата технических наук ..;.'

1

Красноярск, 1993

Работа глшолнена на кафедре "Технология мапшностроэшя" Сибирской аэрокос;длоской академии (CAA).

Научный руководитель:

доктор техшгчэсягих каук, профессор В.В.Стацура Сфщиалы&а оппоненты:

доктор техкпчэекпх наук, профессор В.Ь.Летуновский ■ кандидат тэхнических наук, доцент М.А.Луошш ,

Ведущая организация: ГП "Красмаызавод"

■ Защита состоится 1993 г. в часов на

заседании специализированного Совета К.064.46.02 Сибирской аэро-косшчвской академии.

Ваш отзывав двух экземплярах заверенных гербовой печатью, просим выслать го адресу:

660014, Красноярск - 14, пр.ш.газзтн "Красноярский рабочий", 31 Сибирская аэрокосмичэскап академия

• С диссертацией ,\:oicio ознакомится в библиотека CAA.

Автореферат разослан 1993 г.

У*ю1Шй секретарь спэцпалнзировашгаго Совэта

к.т.н. ~ ' " В.А.Курбшов

Общая характеристшсд работы' '

¿ь:'1У^ьность_Еа0отн. Одним из методов, обеспечивающих высокие ьксгл/атациокные свойства узлов и деталей летательных аппарат:.? С Л А1 работающих в экстремальных условиях (агрессивные ер-;:;: ;..;:.;г:оноитов топлив, тепловые воздействия продуктов' сгора-нпл, ¿.акуум и т.п.). является формирование на поверхностях деталей I! есс,речных единиц ЛА теплозащитных, эросиокностойких, изно-гостойгах. коррозионностсйких, электроизоляционных покрытий ( в дальн-ийем защитные покрытия) газотермическими способами нанесена (ГСП ) .

Надежность и стабильность свойств защитных покрытий определяются, в первую очередь, прочностью сцепления покрытия с защищаемой поверхностью (подложкой). Однако, уровень технологии формирования покрыта! ГСН еще отстает от потребностей и -требований производства ЛА, физико-механические свойства получаемых покрытий ниже возможных, что вызвано неоптшалышми. условиями процесса формирования покрытий и нестабильность» технологических параметров нанесения. Все это приводит к тему, но широкое применение этих способов сдерживается, а в ряде случаез отвергается.

В этой связи, главной проблемой организации качественного процесса нанесения покрытий, с необходимыми свойствами, является нахождение оптимальных' технологических параметров процесса.

Обеспечение прочности сцепления покрытия на изделии зависит, от протекающих физических процессов взаимодействия материала покрытия и подложки. Без их исследования невозможна разработка физической и математической моделей, реализация1 которых обеспечивает регулирование параметров процесса, получение требуемых прочностных характеристик и физико-механических свойств 'защитных покрытий.

Целью_работы является оптимизация параметров процесса нанесения защитных покрытий газотермическими' способами в производстве. летательных аппаратов, на основе энергетического подхода к-прогнозированию прочности сцепления напыляемых материалов с подложкой в потоке газовых струй.

Основные_задачи:

- исследование процессов взаимодействия в зоне контакта

материалов покрытия и подложки при нанесении покрытий газотермическими способами с целью выявления основных, параметров определяющих прочность сцепления;

- разработка физической и математической моделэй процесса вз^ймодэйстеия материалов покрытия и подложки;

- разработка экспериментальных методов диагностики и прогнозирования качества напыляемых покрытий;

- оптимизация параметров технологических процессов газотер--мических способов нанесения покрытий;

- совершенствование АСУГП газотермических способов нанесения покрытий;

. - разработка новых способов нанесения' защитных покрытий с 'повышенной'прочностью сцепления напыляемых материалов.'

- . Для экспериментальных исследований

параметров частиц и газовых струй использовались метода вращающегося диска и кратковременного ввода датчика в исследуемое ' сечение. При определении характеристик наносимых покрытий, применялся метод отрыва и фрактографические исследования. При разработке автоматизированной системы управления технологическим процессом проводились численные расчеты параметров' решением дифференциальных уравнений движения и теплообмена чаотиц вдоль оси струи методом Рунге-Кутта. .

Научн§я_новизна работы состоит в следующем;

- разработаны физическая и математическая Модели процесса рзаимодествия частиц наносимого материала и подложки в зоне контакта;

- получены зависимости, позволяющие рзсчитыгать прочность сцепления покрытия с подложкой для различных газотермических способов нанэсения покрытий, при /инималыюм фиксированном наборе основных технологических параметров;

- определены численные значения коэффициента физического контакта для различных газотермических способов нанесения'покрытий;

- разработана методика контроля и расчета параметров газотермических струй методом кратковременного веоде датчика в перле дуемое сечение;

Практическая .ценность работы состоит п следующем;

ст* предложена методика оптимизации процесса нанесения покры-

- разработай! устройства контроля параметров газотермичзс-ктпс струй методой кратковременного тола даетгаа з псслодуеглоо сэчевнз;

- разработано програго'йсэ сбзсзэчонго АСУТП газотерулчегяси. мотодов HßHöooiEM покрытий, поое алголе о з проязводстЕзашх условиях ocyi ;.>стаг»ш> управление оспсрисп ташнюгичостгш® параметра: тл;

- првджшн схюссб гегоюр-.кчееного какесатгся покрытий

соодашгсм контро-^.ф7е?.:оа а'.гг.'ос-^рн ;ряймкячскеи вакуу-

."Ofi;

- предложено устройство пггготою'эчлп шгсзтлэняо-нешлвншвс яояуф-збрйКатав (ЩП5) дгл паториашв с г.?9та;-;лЕ71вской матрицей;

- разработано устройство газотэр:.?.ч9ского заталекня покрн-гул кз поверхностях крупногабаритных яадояг'Л н&т'олом ххитроли-руекой зтпосфэрн.

fiöPQöai^HjsrtoTfj.

Материалы дпссертшщонной рзЗотн дохшая® алпоь на III от-рзслзЕоЛ научно'-тзхлпчоской ксгфзрзпщгл "Применение газотврми-чесшк покрытий а 'лспятаосгпоогси" - í'ocioo, i9SQr., na научно-технической коапэронцта "Хо'гпдэксиш изтою погаштшл надэаности и долгodе4fюстjs деталей техподогаческого оборудования" - Пэкза, 1992г., на семинарах кафэдр IMG« ЛА и иаушо-тэхшгаеском совете ~(КГС) CAA.

ОУйличэшш.

По теме диссертационной работы' опублщсовано 6 печатных робот, в тем числе получено 3 авторских свидетельства на изобре-тония, выполнен 1 отчет по НИР. '•

Структурами объём'работа.

Диссертационная рвбота состоит из введения, пяти глаз, основных выводов, списка использованной литературы и цряло-;:<е;пй. Работа содержт ^^страшщ основного !-.:зж1тогдсного текста, из которых рисунков п таблиц занимают éÁ страниц. Список литературы на f?. страницах содержат пажэцовоний "о?о-чостеопеой и зарубежной литэратурц. Обгз-гй объем прилокэннй страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводятся варианты использования защитных покрытий наносимых газотермическими способами на детали и узлы ЛА. Рассмотрены основные виды дефектов защитных покрытий на деталях ЛА в процессе их эксплуатации. Сформулированы пути совершенствования технологических процессов ГСН в производственных условиях. Представлена классификация способов нанесения покрытий, определяемая фазовым состоянием материала покрытия в момент его формирования, приводится краткий обзор ГСН. Рассмотрены и ■ проанализированы существующие математически модели физико-химических процессов при формировании покрытий. Дан анализ основных параметров процесса нанесения покрытий, определяющих их качество и эксплуатационные свойства.

Обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследований.

Во второй глава рассматрены физико-химические и энергетические условия взаимодействия материалов покрытия и подложки, изложены теоретические основы предлагаемой модели.

Одной из основных характеристик гарантирующих качество будущих покрытий является прочность сцепления асц покрытия с поверхностью, детали конструкции ЛА.

•В общем случае прочность сцепления о,, взаимодействующих

сц

материалов представляется как:

о = о +о + о + о (1.)

сц хим мех е-д-б внугр 1 '

Известно, что силы химического взаимодействия ыэзду атомами, материалов покрытия и подложки, обуславливающие между ними прочность сцепления, оцениваемую оу,ш до 105ДжДгаль, являются доми-пирующими и предпочтительны при организации любого способа напы-, ления.

Силы механического зацепления материала покрытия за микро-и макронеровности поверхности подложки, обуславливающие прочность сцепления аме2, по своей физической природе не могут дос-. тигать большой величины , а такие крайне нестабильны при существующих методах подготовки поверхности.

. Прочность сцепления Рв_д_в за счет Ван-дер-Ваальсовых сил связей всегда присутствует при нанесении покрытий и достигает

оначитолишх Е-ЭЛШИХ (ДО Ю^ДХ/МОЯЬ), и ОТВ-ЭТСТЕ&ЯНа зз прочность сцепления некоторых материалов п<ягользуе*зих в качестве покрнитй.

Внутренше напрл::;енил в покрытиях, обуславливающие прочность с:;-.плб1шя а , состоят из остаточных напряжений о00„,-котор1>; ¡..вникают после процессов канэсзняя и рабочих напряжений а б, ромыками1Х в пс;фктш! при различию: условиях его эксплуатации. Величина внутренних напр.т;:епгЗ: штат тгсэть существенное значение л в некоторых случаях приводит к стспоеаиа покрытий от сснобы или его разрушению. И лишь, в незначительной мере, пр СООТВвТСТВуЮЩИХ мероприятиях, конструктивных рЗйЗТШЯХ соотебтст- . ¡зующих условиям работу детали, энергия внутреннего напряжения проявляется как фактор, сопутстпущий повышению прочлозтя сцепления. '

Эффективность процесса фор.\эдровання покрытия обуславливает- ' ся козф&щиентсм т], определяемого ои-словие;.'. энергия необходимой 1 для процесса взаимодействия материалов покрытия и осковн 3 ^ , к величине подводимой энергии Еподв частицы в испоит контакта:

Е

■ ззешл

' 1] - 1--------И )

Е

подв

Анализ экспврга/.ентальин-: данных показывает, что характер изменения величины прочности сцепления хорошо описывается экспоненциальной зависимостью. Величина прочности сцепления, характеризуемая силами химического взаимодействия являющимися наиболее прочными и предпочтительным:: при любом способе формирования покрытий, определяется уравнением:

°у.им = сгг,&х '

где о "'ав прочности на разрыв наиболее мягкого из соединяемых материалов.

Максимально возмол-тя прочность сцепления а„ах достигается в том случае, когда по всей поверхности физического контакта мезду атома;,ш материала покрытая и подлояка будут, проявляться силы хишчвекого взаимодействия, т.е. когда отношение количества атомов в поверхностном слое и к количеству атомов, вступивших в ■ .физический контакт равно 1. •

г

где нс - количество образовавшихся связей. ^

... \ Это Возможно когда подводимая, энергия Епода при нанесении , будет равна энергии взаимодействия ЕВ301Ш для процесса . Таким образом, прочность сцепления за бчет СДО хшического взаимодействия равна:

взаим "

:0.' . в о

ХИМ : В ; ^

"'тодв •

. .Энерщя взаимодействия Евзаим определяется подводимой. энар-;двя..Йиз^чвскрго контакта.Ефдд и анергией зкти-ваш:.Е^т содаожки и покрытия.

: .: :'.,," ®взаим = Ефиз + Еакт . "..

Для. того .чтобы определить энергию, .необходимую,для усганов-.лвв^и ф13йческого контакта, необходимо знать' толщину и . состав : хед^орб^вшшого и адсорбированных слоев (определяются с достаточной точностью теоретически и специальными приборами),, энер-: , уию адтквадои, т.е. .процесса разрушения межатомных или мезкмоле-ку4ифаых связей адсорбировавшие Ео '-и хемосэрбиро^анных Ерхем едоев, механизм их разрушения:

где' мадс - количество атомов или молекул в хемосорбировзн-ном или адсорбированных слоях.

анергия активации Еактдостаточная для образования свободных связей'ш«ду атомами поверхностного слоя расчитываем как:'

<Еопок ^*°под> 2Мо 55 *>щж + Еапод (б>.

где |^под - энергия активащш процесса разрушения для

ягошдас связей материна покрытия и подложки; Еапс?|с, Еапод -шрш ^тие^щи для материала покрытая и подложки н^' площади Яодагшогаой зоны, находящихся ниже адсорбированных и хемосорбиро-

вифо^о слоев»

?©дй5рша подводимой анергии ЕдОДВ в основном определяется В^датеной канетической Екин, тепловой энергии материала покрытия

•' ■¿;:ск, тепловой энергии матзрнзна пс^лспод Ед^д, а тс;г» глект-р:;':еской энергии ВЭТ1 з соцэ

Еподо ^ ^сш + ^пс:: + ^гго: + Е8.л . ' <7>

Предлагаемая модель оспоривается на слодуггяк далог$»ш>с процесса взаимодействия:

1) образование межатомных связал происходи? на актщ^гг. центрах;

2) активными цектрзш служат ато!-ц контактной повортностп» кмендце свободные связи; ( ■

3) свободшде связи возникают' .атстнзецтщ б?о?..ор контактной поверхности тор?яяясхо{1, гахааэт&стрЯ и рлещяибшф энергиями; • •

4) прочность дорааующэйря вягащявоЛ оя'язь* рзвт?а прочное^ едшшчной связи в объеме оолээ мягкого гзторпял^.

Так как физическая контакт частицн с пгперздооть?) осеойч. нельзя считать- идвальши, из-ла налагая на пай ^ор^п^-о^р: пг.пор-' бировашшх и хемосорбкрованного слоев,. то ?< "Я0. 'Прочность сцеплешш о 'мезду материалом пскрнтод я поллогтп в с:лу принятых допущений определяет** как:

■ !1с •

ашах = "Г" = Кф •

"о с,

где кф - коэффициент фнгичес:со?о ггсктактг», " /7

Коэффициент физического контакта Кф чашгагс '.от аг.эрущщ параметров: енергаи частицы в могант тссптЬктр, ташгтц л сзстеъц.' хемосорбированного. и адсорбнровшшнх слое а на по^оглз, (ргтопого состояния материала покрытия а .момент контру (в трердс"?, Г"?д-?. ¡сом, парогазовом или ионло-плагмэнксм), ;со?арсз с'дрдчлрзтса ГСП покрытий рис, •), ■ ( ' ■

Теоретические расчетами и' пгспор^.'энтп.тыгг^ г.сслэдопп?;!Я~ щ существующих ГСП установлено, что 7со;<:>зшоиТ ^.'/щ.эсгпго контакта Кф, определяемой фпсовыгл со^тояпг^м шфюлп в момент контакта с подлозжой» предстазляетоя оледуздка пппдо-нияш:

Тз.ф, П.Ф. Пар, газ,'?.,

0,8+0,9 0,5-Ю,7 о,цо,з ,0,35-1,0

/о

Рис. £. PacwfîT-■ a Тв + ТвФ. ■ над-схема и эо- <

• ны. процесса ГСН: JP

"I-аагрев;-II-. /ТЧ

раз гон Ш-тормо-' л LJ женке; 1У-кон- ' -^.С^Ч такт; Чо -радиус; Ко -координа- // _ о 8-0.9 О '500 iOOO V,m/c т.а полюса струи; v 5 ' X ¡s-координата . v Тя+ЖФ конца начального. • I

участка,; Хп -коор- ta 2 дината 'переходно- /Тл го участка; Хт - \

координата конца участка- разгона ; . vrTFrff-r' % угол рас- j.

гаг

СТруИ '

vtp

0,5-0,7 0 5£îû V,M/c

0 7>ЬПорГ P p

П21—

WlvJ-K«p=P л-0,3

8 Td+ПлИ™. P {19'Mfla i 4(30

о

пттттт

¡<<P= 0,9-1,0

0 200 Xй

Рис. I. Значения коэффициента физического контакта Кф в зависимости от фазового состояния наносимой частицы

0 20 № 60

-Рис. 3. Скорость и температура вдоль оси ГС, при поперечном и продольном вдувах, частиц различной массы:

1,2, 3, б, П - поперечный вдув; I _ 150 мкм

4, 5,„8 - продольный вдув; 2;4;6;8 - 100 мкм

3; 5; 7 - 50 мкм - -..^волока

//

• ••с : «0

°;тХ " ПРИ = Ь т.е. ^ п и ■ и -- в 1

' . ■ ' Л ■■ ■

где №с. - количество образовавшихся связей. "

Это возможно корда подводимая энергия ••Епо„д при цеЕэк>вк& покрытия будет равна энергии взаимодействия Е* * для процесса соединения материалов- Тане, образом, прочность" ецэгоктш' .па счет оял -химического взаимодействия равна:

1- -------| (3)

затем

ЯМ ' 1

ПОДВ .

Энергия взаимодействия Е определяете?,• поЬзоднмой энергией необходимой для физического контакта . и энергией айта-ЕЙЦИИ Ев,.„ подложки И ПОКШТИЯ.

ак I.

Р ' " - к , : А V, (* \

Чюздм . фжз ' р.к-г .

Для того чтобы определить' онергию, необходимую для установления физического контакта, необходимо знать толлину и состав хемосорбировашюго и адсорбированных слоев (определяются с дас*-таточной точностью теоретически и специальными 'приборами), энергии активации, т.е. процесса разрушения мэкатсмиых или »¿окмолэ-кудярных связей, адсорбированных £о1Лс и хе>,»сорбированных слоев, механизм их разрушения: ' .-а,

' Ефлз,= Чем !1гс-м + ^°адо "адо ; (5) ГД0 Р,,*,,» - коли?ество атсмов или молекул з хомосорЗировэи-

СЗДО

ном дели адсорбированных слоях.

Энергия активации Е , достаточная'для сбрззовшпш свободных связей между атомами поверхностного слоя расчптазаец как;

Еак? = ^°пок + Еопод) 211о = * ^пед ' ,б) .

где Ео , Ео„„_ - энергия. активацш поопессп разрушения для

иск под * ' v *"

атомных связей материала покрытия ,» подлозй;' Еашк, Еапад- -, энергия активации для материала пскрнтия и подложи на пдег'агх контактной зоны, находящихся пике адсорбированных и хемосорбяро-ванного слоев. . •

Величина подводимой энергии Е^^ в основное определяется, величеной кинетической е^ , таплопсй'эввргЫ материала по:фаЦя'

Исхрдя из вксперкг.;зиталышх и практически апробировании результатов исследований с^нзических процессов для различных ГСН, ожидаемую прочность сцепления одц1 за счет сил химического взаимодействия выражения (3),'определяем как:

г ^взакм л

0оц50вКфе4---] (9)

. поди

В третьей.гла§э рассматриваются механизм процесса и основ-Ш0 положения предлагаемой кодели оптимизации, особенности дви-гсения частиц в потоке газа, движение и'тепловой радам частиц в потоке газа.

• На своем пути к повер;шости основы, частица напыляемого материала проходит несколько зон, рис.2:

1 - зона.нагрева чзстиц; 2 - зона разгона частиц; 3 - зона '■торможения часты'; 4 - зона контакта часты с орново^.

Начало зоны ускорения 2 характеризуется максимальной разностью скорестей газового потока Уг и части/да Уч, АУ -- Уг -а'значит, наибольшими значениями числа Рейнольдса.

На начально.".! участке зош! 2 частицы ускоряются достигая максимальной скорости. Б зависимости от газодинамических пара-Мэтров потока, размера частиц и их сосредоточенности в нем, определяем области 2 как область достижения частицей ма^сималь-■ Ной скорости.

В зона тормогшни,я 3 разность скоростей АУ зависит в основном от скорости частиц, так как ц начале зонн 3 скорость частицы Дольше скорости потока газа, 7Ч \'г,

Движение частица в потоке газа определяется силами аероди-цашческого сощзот11зл91шя Рсоцр, инерции 1'и, подъемной силой, ¡. силой Корнолкса, гравитэпиотинми, электростатическими и 'др. ' При подлете к основа в зоне 3 -частида сталкиваются с практически неподвижной-газовой средой ц значения разности скоростей ду увеличиваются, это определяют, в основном, -силы аэродинамического сопротивления Рсопр> При расчете сил аэродинамического сопротивления в этой области величину коэффициента аэродинамического сопротивленя С? пощо оценить при Мг-О.

В зоне соударсщя 4 происходит удар частиц о поверхность ' ронозз,- дафорги;ЩЩ, резрушнне адсорбированных н хемосррбнрован-

/з

кого слоев, а танке активация поверхности взаимодействия.

Особое внимание уделено учету влияния щлзисного сбтак-г:1Л1я частиц, при их групповом движении- в потоке газа, определяемого, процентшм соотношением частиц сгэси в потоке газа. Расчет выполняется с учетом режимов обтекания частиц потоком, определяемых значением числа Рейнольдса.

Определяющими силами движения часгид в потоке газа являвгся силы аэродшшмического.сопротивления и инерционнее сшп. расчетная 'зависимость для скорости частиц 7Ч - 7^(1;) получала ст рззэ-ния дифференциального уравнения количества двишйтя:

. = V--—-------(Ю) '

1 Рг эм

где тч - масса частицы, рг- плотность газового потока, Зм -площадь миделя частицы. Решение, получена для пц -> о, '?ч. -> ?г; при +. = о, \'и - о.

Подобии рассуждения, при анализе движения чао-ткцз вдоль оси струи, необходимы для выбора опти.!эльяого рэ?кэра частиц достигающих максимальной величины гагаетичзасой энергии ' в зоне контакта. ' -

Проведенные расчеты справедливы для зон 1 и 2, где происходит ускорение частиц, для этих зон ускорения Чч -> 7р. ■

Для практических целой целесообразно использовать в качестве характеристики технологического процесса изменение скорости частиц по дистанции напылении Н-Н(х): Интегрированием сооткозэ-ния (10). по дистанции напыления Н^Н(х)и огрзщчипэясь двумя . членами разложения в ряд Мейюрена» получено уравнение' дввтаати скорости частиц для 1 и 2 зон:

/

Ох рг Зм 2 у -----

= пч ^^ (11)

/с* рг Зм X

В зонах 3 и 4 наблюдается тормог-ге'няэ частиц» полагая, что ?ч Уг, после интегрирования (11) п учитывая только лшеЗэдй

.член разложения в степенной ряд, получаем выражение скорости частиц на участке торможения:

V*<1 - А) + Vr RCi - Хт)

V = —--(12)

4 1 - А + Н(Х -- X )

- V . . Сх Рг £м

где А = --——, R = --—, х,„ - начало участка тормокения

V - V 2 ш •

г ч шч

на дистанции напыления, V^ -скорость начала участка торможения.

Цри проведении расчетов по зависимостям (10-12) необходимо учитывать изменения рг в соответствт: с изменением газодинамических параметров двухфазной струи по дистанции напыления.

Характер изменения скорости частиц различной массы по дистанции напыления представлен на рис.За.

■ Теплопередача в двухфазном потоке между частицами наносимого материала и газовым потоком осуществляется за счет процессов. конвективного теплообмена, теплопроводности и радиационного теплообмена. Известно, что основную долю процесса теплопередачи в ГСН составляет конвективный теплообмен.

■ • В предлагаемой модели рассмотривавтся случай конвективного теплообмена при движении частиц в потоке газа. Из решения дифференциального уравнение конвективного теплообмена для сферической частицы получена зависимость температуры частицы Тч = T4(t):

( а % , г - а % д?

т в То„ expl--4 * t + Т_ 1 --ехр -- * t (1Ü)

4 4 1 Шч Срч J г L \ Срч JJ

■ где Тг и Точ - начальная температура газового штока и частицы; Срч~ теплоемкость материала частицы; dq - диаметр частицы; а -коэффициент теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи определяется зависимостью устанавливающей прямую связь меаду коэффициентами, Характеризующими интенсивность теплообмена а и газодинамического

сопротивления:'

., ■■■■'. а Сх

<14)

üpr prWr--V4) 2

,где 0рг - теплоемкость.тазового потока. "¡Выражение:получено для шч —> о, Тч —> Тг;'-шч —> <»•, Тч —> 'о. '' •• " Анализ режима'теплопередачи частиц по уравнения (13) позво-

/S-у

ляет провести выбор оптимальной размера частиц с точки зрения наилучшего их нагрева-. ■ .

Для практических полей целесообразно использовать в качестве характеристики технологического процесса изменение томперату-рн части' по дистанции напылении Н=Н(£). Прообразовав уравнение (13) с учетом формулы (11) определяем температуру частицы по'' дистанции напыления (х) ввиде:

(15)

^ l д .

а. % cÇ

где D --. ...

m--ï Ор,

Предлогепнкй метод позволяет■определить изменения темпера- ' туры и скорости частиц различной дисперсности по дистанции напыления Н(х), ркс.За и 36.

Метод расчета позволяет рассчитать срэднемаесозую температуру частицы при ее двипэшга едоль оси потока. Прогрев eté всего ее объема до определенной температуры будет завысить от теплофи-зическпх свойств материала и 'технологических параметров процесса ГСП. Параметры процесса (V ,Т ) определяются технологическими репимаш работы устройства конкретного ГСН. Определенные таким образом скорость частицы и ее температура позволяет расчитать величину подводимой энергии Епо в зависимости (9).

Приведенными в работе результаты*® исследований подтверждается степень влияния основных параметров характеризующих процесс нанесения, которыми являются: скорость V4 и температура Т^ частицы, коэффициент физического контакта Кф ГСН.

На основе этих параметров разработан алгоритм расчета позволяющий оптимизировать технологический процесс по .заданной величине прочности сцепления и техническим требовании,! Предъявляемых к покрытию.

"бТЕертая_глаЕа посвящена экспериментальным•методам исследований параметров газовых струй (ГО), их температуры и -скорости .

Дан анализ существующих методов контроля параметров газовых струй и высокотемпературных потоков, сформулированы требования к экспериментальным устройствам диагностирования потока.

Реализовано устройство для контроля параметров высокотемпературных ГС, методом кратковременного ввода*датчиков в исслздуе-мое сечение, позволяющее проводить измерение температуры за время в юоо раз меньшее термической постоянной времени изгорите льного устройства, позиция 1 рис.б.

Аналогичное устройство со. своей постоянной времени используется для измерения величины полного давления Р0 газотермическпх струй (ГО).

■Контроль скорости потока осуществляется путем поресчета ' величины полного давления Р0 исследуемого сечения при сверхзвуковом и дозвуковом течении потока с учетом тешюфизпческих свойств рабочего газа.

'Обработка результатов измерений производится решением задачи 'по восстановлению функций скорости и температуры ГС вдоль оси потока с последующим пересчетом на параметры частиц по дистанции напыления, при этом задача сводится к решению одномерной задачи Коши путем численного интегрирования системе дифференциальных уравнений движения и теплообмена частиц в потоке газа методом . Рунге-Кутта.

• В качестве примера использования методов расчета и диагностики параметров ГС, на рис.4 представлен характер изменения значений, определяющих величины скоростей частиц порошка Ы1Сг дисперсностью 50 и 100 мкм.

Оптимизация процесса нанесения покрытий осуществляется путем расчета по дистанции напыления величшш прочности сцепления о„„, определяемую величинами энергии взаимодействия Е

Г'I I Х-Л О

подводимой энергии Еподв> а такие коэффициентом физического ¿контакта' Кф для выбранного ГОН при фиксированных технологических параметрах Р0 (37г), Т0 (Тг), сЦ .(т^), пх дисперсность, Тпод и ^д подложки, расхода 0 нашляемого материала. На рас.5 представлены результаты численного расчета и натурных экспериментов по определению прочности сцепления осц -покрытия М1Сг (Х20Н80М) методом газопламенного напыления на стальную основу.

В_пятой_глав9 представлен алгоритм АСУТП, реализующий предлагаемую физическую и математическую модели процесса взаимодей-

Рис. 4. Характер изменения параметров и сил действующих на час-типу при напылении вдоль оси ГС

Рис. 5. Результаты численного и натурных экспериментов определения Ощ методом газопламенного напыления:

-7-7- расчет; эксперимент X - 10 мкм; © - 25;Л - 30; о - 50; о - 100; о- 150 мкм

т g0s цй 0,¡5 q20 0/2'i x

Рис. 7. Способ увеличения качества и прочности сцепления покрытия, путем создания местного динамического вакуума в зоне контакта с защитой ГС

Рис. 6. Схема диагностирования параметров АСУТП напыления

//

ствия напыляемого материала и подложи. Алгоритм позволяет проводить численный эксперимент, анализ и прогнозирование параметров наносимых частиц и свойств получаемых покрытий конкретных технологических процессов ГОК. На рис.б представлена схема реализации метода диагностирования параметров АСУТП ГСН покрытий.

Представлены реализованные технолаглчосгае разработки повышающие физико-механические свойства наносимых покрытий. На углеродных лентах, для плазменно-напылешшх полуфабрикатов (ПНПФ), путем создания разряжения в зоне контакта (местный отсос газа) напыляемого материала с подложкой. Разработанное устройство позволяет повышать технологичность нанесения ■ армируемого материала на волокна и пористые ленты для материалов с металлической мзтрицей, обеспечивает равномерность заполнения несплошностей материала подложи. Увеличение качества и прочности сцепления покрытия путем создания местного динамического вакуума в зоне контакта с одновременной защитой высокотемпературной струи от воздействия окружающей среды (рис.7). Способ и реализованное устройство позьоляют формировать покрытия высокого качества и прочности сцепления методом контролируемой атмосферы и использу-етс& па изделиях, превышающих своими размерами габариты барокамер и камер с контролируемой атмосферой.

Предложенные способ и устройства позволяют реализовать возможность нанесения покрытий из мелкодисперсных частиц размером менее 10 мкм, за счет увеличения кинетической энергии частиц при' движении потока смеси в разряженной атмосфере разгонного блока устройства и отсоса затормокеннсго потока газа из зоны контакта.

Предлагаются технические разработки замера величины полного давления высокотемпературных газовых струй с одновременной газодинамической защитой приемника давления.

Полученные результаты и технические решения в области опти->,щзации технологических процессов опробованы в производственных условиях ГП "1£раомащзавод" и НПОПМ.

Выявлены пути применения результатов на практике для различных процессов формирования защитных покрытий, обеспечивающих ИХ качество и стабильность физико-механических свойств в техно-логичеких процессах производства М. - •

/У

выводи

1. Разработаны физическая и математическая ирац«_ .

взаимодействия материалов покрытия ' и подложки при нанесении

газотер^нч^скимц способами.

Предложена и апробирована методика оптимизации процессов ншеоеюя защитных покрытий газотермическимл cnoco6aj.nl в производств 'летательных аппаратов , на основе энергетического подхода к щогнсзировашю прочности сцеплешя напыляемых материалов с подложкой в потоке газовых струй.

3. Получены зависимости, позволяхлде •определять необходимые величины технологических параметров процесса газотермических способов нанесения покрытий для достижения максимального значения прочности сцепления покрытия с подложой. ;

■4. Экспериментально определены численные значения коэффициента физического контакта, для различных газотермических способов ньнг: гения и фазового состояния напыляемого материала в момент контакта, . соответствующего: 0,8-0,9 для твердофазного, 0,5-0,7 для шдко-капельного, 0,1-0,3 для парогазового и 0,9-1,0 для ионш-плазменного состояния.

5. Разработана методика и установки контроля скорости и температуры газотермических струй методом кратковременного ввода датчика з исследуемое сечение потока, с параметрами контроля температуры потока Тр до 10000 К и скорости потока до 4 М.

6. Предложен алгоритм расчета, позволяющий исходя из технических требований предъявляемых к покрытиям, разрабатывать технологические процессы с оптимальными параметра?,и, обеспечивающими заданную прочность сцепления.

7. Разработаны новые способы позволяющие:

повысить качество и увеличить прочность сцепления покрытия с подложкой на 30 - 60-й;

увеличить эффективную площадь пятна контакта с равнопрочным сцеплением в 4 раза;

довести коэффициент использования материала в предлагаемых способах до 60%.

8. Предлагаемые способы позволяют наносить покрытия из мелкодисперсных частиц размером менее 10 дал, в местном динами-; ческом вакууме.

Основшэ результаты и положения диссертации опубликованы ь олэдугашдх работах: .

1. Отработка технологического процесса изготовления пленоч-• ыих разистивных нагревателей (ПРН) //Отчет по НИР; Гос.рег. J&

01,89.000.49, 1990, 200 с. - ДСП

2, Отацура В.В., Михеев А.Е., Никушкин Н.В. и др. Оборудование для нанесения качественных газотермических покрытий //Те-sucfi докладов III отраслевой научно-технической конференции "Црхаганение газотермнчесгспх покрытий в машиностроениии-Москва, 1SS0. - ДСП

3.. Отацура В.В., Варава Б.н., Никушкин Н.В. и др. Автоматизированная . система программного обеспечения газотермических способов нанесения покрытий //Тезисы докладов III отраслевой научно-технической конференции "Применение газотермических покрытий в машз-шо с тро в шш "-Москва, 1990, - ДСП

'4. Отацура В.В., Никушкин Н.В. и др. Технологические процессы изготовления полуфабрикатов и деталей с использованием плазменной струи //Тезисы докладов III отраслевой научно-технической конференции "Применение газотермических покрытий в маианостроении"-Москва, 1990. - ДСП

5. А.О. й 320514 (СССР). Устройство получения плазменно-.иошшшшх полуфабрикатов (ПНПФ) /Стацура В.В., Моисеев В.А., Никушкин. Н.В. и др.,1990, 4 с. - ДСП

6. A.C. \Ъ 1738870 (СССР). Устройство для газотермического нанесения покрытий /Стацура В.В., Михеев А.Е., Никушкин Н.В. и др., 1991, 4 с. - ДСП

7. Заявка J3 4767827/02. Способ газотермического нанесения покрытий /Стацура В.В.«Никушкин Н.В. и др., - Положительное решение от 3.11.91 °