автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Плазмоструйная термообработка газотермических покрытий

РГ6 од - 5 АПР т

•госсиеская академия наук

сибирское отделение институт теплофизики

на правах рукописи

КУЗЬМИН ВИКТОР ИВАНОВИЧ

плазкоструяная термообработка газотермических ПОКРЫТИЙ

05. 14. 05- теор*>тич?снке основы теплотпхниш?

Л ВТ О реферат гиссиртации на ссчсканиа ученоЯ стопомч кандидата технических наун

Новосибирск, 1993

Работа выполнена в Институте Теплофизики СО РАН. Научный руководитель:

доктор технических наук О. П. Соломенно Научный консультант:

академик Российской АН М. Ф. Жунов Официальные оппоненты:

донтор технических наук В. И. Терехов кандидат технических наун П. Б. Пекшев Ведущая организация:

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

заседании специализированного совета К002. 65. 01 в Институте теплофизики СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, Проспект Лаврентьева 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО РАН.

Зашита состоится

часов на

Автореферат разослан «.

# » мй^мд, 19ЭЗ

Ученый секретарь специализированного

совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

¿ктуалъноепь тому. Защитные н износостойка обеспечивает возможность сознания новых изделия- помпой:-.;!:*"*, сочетающих иысонугс долговечность (ь!зносостойность, егн-цчзльк!;': свойства) с достаточной надежностью (трешиностойкостью), псин^лют эксплуатационную стойкость деталей машин и инструмента по сравнению со стойкостью, достигаемой известными способами термической обработки; позволяют восстанавливать нзношенну» поверхность и, следовательно, снижают потребности п запасных частпх.

В промышленности наибольшее применение находит нанесение покрытий методами газотермического напыления, где одним из наиболее эффективных методов является плазменное напыление. Плазменное напыление резко повысило качество газотеркмчесхих покрытий, поскольку появилась возможность в широких масштабах управлять энергетикой процесса. ,

Но. несмотря на определенные успехи, достигнутые в повышении качества понрытиЯ, последние сохраняют основные присущие им недостатки. Главным образом это относится к адгезионной прочности и пористости.

Улучшить начество понрытиЯ позволяет их последуюпзп термическая обработна, которая в ряде случаев более чек на порядок увеличивает адгезию и прантичесни полностью ликвидирует их пористость.

Проведенный анализ литературных данных поназал, что с точки зрения технологичности процесса из применяемых способов термичесной обработки наиболее рациональна плазмоструйная термообрзботна. В данном случае возможна обработна любых материалов и не требуется дополнительное дорогостоящее оборудование. Кроме того, использосание в качестве концентрированного источнина Энергии плазменной струи позволяет в широких пределах управлять температурно- временными параметрами процесса обработки напыленных покрытий.

Но существенным недостатком ппазмоструПного нагрева является

3

то, что промышленные напылительные плазмотроны имеют пысоную скорость истечения плазменной струи (расчитаны на работу в турбулентном режиме). Таким образом, при работе на мало!) дистанции из-за высоного динамического нзпора плазменной струи на напиленную поверхность может происходить нарушение слоя покрытия; при увеличении же дистанции очень сложно прогреть обрабатываемую поверхность, тан как у напылительных плазмотронов из-за высокого уровня турбулентности струи протяженность ее высокоэнергетичесной зоны невелина. В связи с этим, перспективна термичесная обработна покрытий высоноэнтальпийной ламинарной струей плазмы, имеющей небольшое динамическое воздействие на обрабатываемую поверхность.

Исходя из вышеизложенного, разработка и исследование плазменной техники и технологии плазменной термообработки покрытий представляется актуальной научно-технической задачей.

Тематика диссертационной работы входит в планы научно-исследовательских работ Института теплофизики СО РАН и Новосибирского института инженеров водного транспорта.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы являлось разработка и исследование высокоэффективного ламинарного плазмотрона и оптимизация технологии плаэмоструйной обработни газотермических понрытий.

Для достижения поставленной цепи был необходим номпленсный анализ единой системы «плазмотрон-струя-подложна». В частности, потребовалось решение следующих задач:

1. Разработка , плазмотрона для термообработни газотермичесних покрытий, позволяющего реализовать ламинарный режим истечения струи, и исследование его интегральных характеристик.

2. Исследование температурной, скоростной и концентрационной неоднородностей плазменных струй, генерируемых разработанным плазмотроном в зависимости от его режимных параметров и геометрической конфигурации выходного сопла-анода.

3. Исследование теплообмена гомогенной струи плазмы с плоской преградой, установленной нормально к потоку, с целью оптимизации параметров плазмотрона и процесса термообработни понрытий.

4. Разработка методини оценки режимных параметров плазмоструИной термообработки газотермичесних покрытий.

5.Исследование влияния температурно- временных параметров процесса

плазмоструйной термообработки газотермических покрытий на характеристики номпозита «сталь- покрытие».

Автор защищает:

-разработанный плазмотрон для термообработки газотермических покрытий и результаты исследований его интегральных характеристик;

- результаты исследований параметров плазменных струй, генерируемых указанным плазмотроном;

- результаты исследований теплообмена струи плазмы с нормально- установленной преградой;

- результаты исследований струнтуры и физико-механичесних харантеристин номпозита «ст~пь-покрытие» после плазмоструйной обработки.

Научна я новизна:

-разработан элентродуговой плазмотрон для термообработки газотермичесних понрытий, расчитанный на работу в ламинарном режиме, и проведено исследование его интегральных характеристик;

- проведены исследования влияния условий ввода плазмообразующего газа в канал плазмотрона, геометричесной конфигурации его выходного сопла-анода и режима течения в канале на параметры гомогенной струи плазмы;

-обнаружено влияние несоосности катода и канала плаэмотропа на характер анодной привязки дуги;

- обнаружена возможность возникновения одностороннего отрыва пограничного слоя на цилиндричесном участке нанала в области анодной привязни дуги;

- проведены исследования влияния режимных параметров плазмотрона и геометричесной конфигурации выходного электрода на теплообмен струи плазмы с нормально- установленной преградой;

- экспериментально подтверждено, что с наибольшей сосредоточенностью и эффективностью передача энергии от гомогенной струи плазмы н нормально-установленной преграде осуществляется в области ламинарного режима течения;

- установлены инженерные аппронсимационные зависимости, связывающие параметры теплового потока от струи плазмы н

нормально- установленной преграда с режимным» параметрами процесса з области ламинарного и переходного режимов течения струи;

- разработана методика оценки режимных параметров плазмоструИной термообработки газотермических понрытий;

- проведены исследования влияния температурно-временных параметров процесса плазмоструИной термообработни газотермических понрытий на формирование струнтуры номпозита «сталь-покрытие»;

-определены физико-механические характеристики покрытии, обработанных плазменной струей в оптимальном, с точки зрения температурно- временных параметров, режиме.

Достоверность полученных результатов обоснована анализом погрешностей измерений; использованием известных и хорошо апробированных методов; а также подтверждением полученных результатов различными методами.

Практическая ценность работы заключается в разработке и исследовании достаточно экономичного и технологичного метода термического воздействия на напыленные покрытия, позволяющего регулировать в широком диапазоне параметры процесса (температура и скорость нагрева) для обеспечения высокой конструкционной прочности получаемого композ'-^а. Проведенные в диссертационной работе исследования использоьчны при создании специализированной технологической установки «Винт- 1», предназначенной для плазменного напыления и последующей плазмоструИной термообработки покрытий на гребных винтах. Разработанный плазмотрон для термообработки газотермических покрытий является базовые плазмотроном указанной установки.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результать работы докладывались и обсуждались на ХХУ111-ХХХ1 -Лаучно-технических конференциях профессорсно- преподавательского составе НИИВТа и Западно-Сибирского НТО водного транспорта (Новосибирск, 1986- 1939, 1991 г. г. ); семинарах Института теплофизини СО РАН; X] Всесоюзной конференции по генераторам низнотемпературноИ плазт (Новосибирск, 1989 г. ); Международном рабочем совещании «Плазменные струи в развитии технологий новых материалов» (Фрунзе, 3-! сентября 1990 г. ); 2-ом Европейском конгрессе п<

плазмо- термическим процессам (Париж, 7-10 сентября 1992 г. ).

Публикации. Основные результаты исследования опубликованы в 7 работах, одна работа находится о печати.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Содержание изложено на 196 страницах машинописного тенета, включая 60 страниц иллюстраций и таблиц, а такчяг! списон цитируемой литературы из 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность и перспективность нанесения понрытий газотермичесними методами напыления. Приведены основные способы и кратко понаэана история развития газотермических методов напыления. Указаны основные недостатки напыленных покрытий к отмечена возможность существенного улучшения их иачестоп последующей за напылением терхнчесноЯ обработкой, для целей которой разработан олентродуговой плазмотрон, рассчитанный на работу п ламинарном режиме. Отмечено, что особенностью данной работы является комплексный подход к решения проблемы создания плазменной техники и технологии, т. о. рассмотрены три основных-□ вена единой систзмы: 1 )плазмотрон; 2)гомогенная струя плазмы: 3) подложка.

В пергой главе проанализированы известные нетолы улучшения фиаино- механических характеристик напыленных покрития, дано обоснование перспективности плаэмоструПноК термообработки.

Глава завершается выводами и постанопноИ запачи исследования.

Впора я глядя содержит реаупьтать по пиЗсру с\г>ри, расч,г-'/ ма рапире п. ронп. 'Эксперигектапьилму ' -г л ■ ! ■ и::

¡'ип е г ¡'.л ЛоЧ ьг; \ир1чторист;*и ч »мрак?1: реи с тру; ••

пропе^енпк^ с ус '''; т.::-х с>л- : т - : -

плазмотронов поназал, что в настоящее время для широкого класса элентроплазменных технологических процессов наиболее

перспективными генераторами низкотемпературной плазмы являются линейные плазмотроны с фиксацией длины дуги межэлектродной вставной (МЭВ). В связи с этим, при разработке плазмотрона, предназначенного для плаэмоструйной термообработки гаэотермичеег.их покрытий, выбрана линейная схема электродугового плазмотрона постоянного тока с секционированной межэлектродной вставкой.

Из основных электрофизических характеристик практический интерес представляли вольт-амперные характеристики (ВАХ) дуги разработанного плазмотрона. Эксперименты проводились при использовании в качестве плазмообразующего газа как азота, тан и аргона. Полученные зависимости представлены на рис. 1. Кан видно, при работе на азоте в диапазоне изменения его массового расхода от 0,4-10"3 до 1,2-10"3нг/с, получены жесткие или слабовозрастающио харантеристини. На аргоне ВАХ дуги имеет слабовозрастающиИ характер.

Данный вид характеристик подтверждает, что в канале плазмотрона в указанном диапазоне расхода плазмообразующего газа, имеет место ламинарный, либо нвазиламинарный режим течения.

_ з

Увеличение массового расхода азота до 2-10 кг/с приводит к падающему виду ВАХ, что является характерным для турбулентного режима течения в канале плазмотрона с МЭВ.

При использовании в качестве плазмообразующего газа азота, одновременно со снятием ВАХ проводились измерения мощности тепловых потерь в канале и электродах плазмотрона. Определение тепловых потерь позволило получить зависимости теплового к. п. д. плазмотрона от тона дуги и расхода плазмообразующего газа. Данные результаты представлены на рис. 2. Видно, что независимо от величины расхода плазмообразующего газа, зависимость теплового к. п. д. плазмотрона от тока дуги, в диапазоне его изменения от 200 до 300 А, имеет линейный харантер. С ростом тока происходит снижение теплового к. п. д. плазмотрона, что связано с увеличением лучистых тепловых потерь в канале и потерь в электродах плазмотрона.

Исследования параметров гомогенной струи плазмы проводились с использованием энтальпийного зонда и спектроскопии.

С помощью энтальпийного зонда были получены распределения

Ь

температуры, снорости и концентрационного состава компонентов плазмы в сечениях е [5;10], где г- продольная ноордината,

В - диаметр канала. Исследовалось влияние условий ввода плазмообразующего газа, а также конфигурации выходного сопла- анода плазмотрона. При помощи спектральных измерений проводились исследования влияния режима течения в канале плазмотрона на распределение температуры на срезе выходного элентрода.

Проведенные экспериментальные исследования позволили установить, что при малых значениях среднемассового импульса потока, соответствующего ламинарному или квазиламинарному режиму

течения и протяженной длине дугового разряда (1 а 6 налибров),

9

ноторая имеет место в каналах плазмотронов с секционированной МЭВ, оптимальным является тангенциальный способ ввода плазмообразующего газа. В этом случае вихревая стабилизация натодного участна дуги благоприятно сказывается на устойчивой осевой стабилизации всего разряда. При этом ниже по течению происходит существенное затухание тангенциальной составляющей снорости газа, и характер истечения струи плазмы качественно не отличается от нартины течения, соответствующей ансиальному вводу газа. Для косвенного подтверждения полученных результатов были проведены эксперименты по вводу дисперсного материала под срез сопла плазмотрона при тангенциальной подаче плазмообразующего газа. Во всем диапазоне расхода транспортирующего газа (О, 12-Ю"3 + О, 24-10~3нг/с) отмечался устойчивый ввод порошка в поток плазмы, что еще раз свидетельствовало об отсутствии существенной нрутни в истенающей струе.

Среди основных положительных эффектов, связанных с повышением осевой стабилизации разряда, следует выделить обеспечение диффузной анодной привязки дуги.

Формирование диффузной привязни подтверждено многочисленными экспериментами. Так, при тангенциальной подаче плазмообразующего газа даже при ненотором смещении торца стержневого натода с оси канала отмечалась диффузная привязка дуги без видимых следов эрозии материала анода. Здесь необходимо отметить, что диффузная привязна наблюдалась тольно при наличии аргоновой завесы анода. В случае же аксиальной подачи плазмообразующего газа, танже при отклонении торца катода от оси канала, анодный участок дуги был контрагированным.

Возможное объяснение зависимости возникновения диффузной привязки от осевой стабилизации разряда состоит в том, что смещение дуги с оси канала приводит к асимметрии температурного поля и преимущественному пробою в определенном секторе электрода.

Исследования влияния геометричесноИ конфигурации выходного электрода на параметры плазменной струи проводились в связи с тем, что геометрия выходного сопла входит в число основных критериев, определяющих начальные условия истечения струи, что, в конечном счете, определяет всю последующую динамину потока.

В работе были проведены исследования полей температуры, скорости и концентрационного состава компонентов плазменных струй для цилиндрического, диффузорного элентродов и элентрода с уступом. Схемы уназанных электродов представлены на рис. 3. На рис. 4. приведены результаты измерений радиальных распределений температуры струй в сечениях г=5; 10 для трех типов выходных элентродов. Данные по распределению скорости представлены на рис. 5. Как видно, струя, истенающая из диффузорного электрода, расширяется более интенсивно. Минимальное расширение имеет струя, истекающая из сопла-анода с уступом.

Следовательно, при использовании выходного электрода с уступом взаимодействие потока плазмы с окружающей средой происходит менее интенсивно по сравнению со взаимодействием при цилиндрическом и диффузорном электродах, что должно обеспечить минимальные потери энергии на участке от среза соппа плазмотрона до обрабатываемой поверхности.

Также определяющее влияние на начальные условия истечения струи плазмы оназывает режим течения в элентроразрядном канале плазмотрона. Причем это влияние проявляется двояким образом. Во- первых, динамику плазменной струи определяет собственно степень турбулентности потока. Во- вторых, от режима течения в канале зависит распределение параметров потока плазмы на выходе из плазмотрона. А начальная неравномерность параметров, кан известно, танже влияет на интенсивность взаимодействия струи плазмы с окружающей средой.

В работе получены профили температур на срезе выходного сопла в области переходных значений числа Рейнольдса. Измерения проводились нан для азота, так и для аргона. Для азотной плазмы профили температур получены при расходах плаэмообразующего газа

кривых, приведенных на графине, максимальные тепловые потони получены для элентрода с уступом, минимальные - для диффузорной геометрии. При этом различие в значениях тепловых потонов возрастает по мере увеличения дистанции от среза выходного электрода до датчина, что объясняется различием в уровнях взаимодействия струй с онружающей средой.

Данные результаты качественно согласуются с выводами, сделанными на основе исследований параметров плазменных струй.

На рис. 8. представлены кривые для к. п. д. нагрева поверхности Г7н и н. п. д. использования электроэнергии, подведенной н плазмотрону п . Указанные параметры определяются следующим

о

образом:

О О

-100 • "о=ит -10°

т

Как видно из графика, полученные кривые располагаются аналогично абсолютным значениям тепловых потоков. Интересно отметить, что на 5 калибрах н. п. д. нагрева для цилиндрического элентрода и электрода с уступом превышает 90%. Полученные результаты говорят о высокой эффективности использования ламинарных потоков плазмы для обработки поверхностей.

Измерения интегральных тепловых потоков в зависимости от тона дуги плазмотрона проводились при одной дистанции, которая составляла 8 калибров (средняя технологичесная дистанция). Ток дуги плазмотрона изменялся от 200 до 280 А. Результаты измерений тепловых потоков представлены на рис. 9.

Как видно из графина, в диапазоне токов от 200 до 280 А наблюдается интенсивный рост теплового потока, что объясняется нан увеличением мощности плазмотрона, так и повышением стабилизации дуги в разрядном канале плазмотрона, которое приводит к снижению степени турбулентности потока в нанале и, следовательно, снижению уровня взаимодействия струи с онружающей средой.

Кроме того, были проведены исследования, направленные на выявление функциональной зависимости харантеристин теплообмена с режимными параметрами процесса взаимодействия струи плазмы с преградой. В начестве харантеристин теплообмена, в нашем случае, выступают следующие параметры: интегральный тепловой потон в поверхность, установленную нормально к потону; плотность теплового потона на оси струи; коэффициент сосредоточенности теплового

потона.

В задачу исследований также входило получение аппронсимационных зависимостей, связывающих характеристики теплообмена с режимными параметрами процесса натекания струи на преграду.

Эксперименты проводились при неизменном тоне дуги, ноторыИ составлял 240 А. Параметры защитного газа (завеса анода) были постоянны и соответствовали описанным выше. Расход

плазмообразующего газа, в качестве ноторого использовался азот, изменялся от 0,4-10 3до 1,32-10 3 нг/с. Число Рейнольдса на срезе выходного электрода изменялось, соответственно, от 340 до 890. Дистанция от среза выходного сопла до поверхности датчика теплового потока изменялась от 6 до 10 налибров.

Результаты измерений интегральных тепловых потоков и соответствующее изменение полезной мощности плазмотрона (потока энтальпии) представлены на рис.10.

Как видно, при числе Рейнольдса равном 580, в исследованном диапазоне величина теплового потона достигает мансимума. Уменьшение его связано с переходом режима течения от ламинарного к турбулентному.

Захолаживание и уменьшение импульса "струи, вызванное турбулентным смешением потона с окружающей средой, приводит к снижению интенсивности теплообмена струи плазмы с поверхностью.

Обработка результатов экспериментов в нритериальном виде позволила получить эмпиричесние зависимости безразмерных харантеристин теплообмена от безразмерных определяющих параметров (дистанция от среза выходного сопла плазмотрона до преграды и число Рейнольдса, определяемое по диаметру разрядного нанала плазмотрона и параметрам потона плазмы на срезе сопла).

На основе проведенных исследований разработана методика оценки режимных параметров плазмоструйной термообработки газотермичесних покрытий. Сущность методики заключается с определении времени достижения требуемой температуры в заданной точке пятна нагрева. Исходя из времени нагрева выбирается снорость перемещения плазмотрона относительно обрабатываемой поверхности.

В четвертой главе приводятся результаты исследования зависимости структуры композита «сталь- покрытие» от скорость1 нагрева и температуры переходной зоны «основа- покрытие»,

достигаемой в процессе плазмоструИной термообработки. Также приводятся физико- механические характеристики понрытий, полученных при оптимальном, с точки зрения структуры, режиме плаэмоструйного оплавления.

Исследования струнтуры переходной зоны «основа-покрытие» и самого покрытия, его пористости и трещиностойности поводились с использованием образцов из стали СТ-3, на поверхность которых плазменным напылением были нанесены покрытия из самофлюсующегося порошка ПГ- ХН80СРЗ. Для определения адгезионной прочности покрытий использовался штифтовый метод.

Измерение температуры переходной зоны «основа- покрытие», достигаемой о процессе нагрева, проводилось с помощью хромель- алюмелевых термопар, которые перед напылением покрытий приваривались к поверхности образцов. Диаметр термопар составлял

80-10' V

Определение пористости понрытий проводилось микроскопическим методом. Минимальный размер пор, которые учитывались в расчете средней по сечению макропористости, составлял 10-10

Структуру номпозита, получаемую в поцессе плазмоструИной термообработки покрытий, исследовали методами оптичесной микроскопии в поперечном сечении шлифов.

Испытания образцов с покрытиями на трещиностойкость проводились путем приложения локальных ударных нагрузок на специально оборудованном копре. Удельная энергия ударов составляла *17-106 Дж/м''. Состояние поверхности покрытий в процессе испытаний контролировалось визуально. Кроме того, в местах разрушения покрытий делались поперечные шлифы, с помощью которых проводился анализ состояния номпозита «сталь- покрытие» п целом.

При сравнении структур композита, полученных при различных режимах оплавления покрытия, лучших механических свойств следует ожидать от малоуглеродистой стали с износостойким покрытием после термичесной обработки с минимальной, достаточной для оплавления, длительностью. При этом наследственная мелкозернистая

карбоборидная фаза покрытия будет обеспечивать высокую износостойкость, а отсутствие в подложке сплошных перлитных и псепдсперлитных слоев будет способствовать высоной

трещиностойности детали в целом.

Проведенные исследования позволили установить, что для

обеспечения качественной структуры переходной зоны

«основа- покрытие» в процессе оплавления следует осуществлять ее нагрев со скоростью не менее 50 К/с.

Кроме скорости нагрева одним из основных факторов, определяющих физико- механические характеристики композита «сталь- покрытие», является температура переходной зоны «основа-покрытие», достигаемая в процессе термообработки.

' Проведенный анализ струнтур, полученных при различных значениях температуры переходной зоны, позволяет сделать вывод, что наилучших физико- механических характеристик следует ожидать от композита при нагреве переходной зоны до температур, соответствующих твердо-жидному состоянию покрытия. В случае самофлюсующегося порошна ПГ-ХН80СРЗ это соответствует температуре 1273+1323 К (скорость нагрева не менее 50 К/с). Отсутствие в подложке сплошных перлитных участков в сочетании с мелкозернистой структурой покрытия гарантирует повышенную трещиностоИкость получаемого композита.

Измерения пористости напыленных покрытий показали, что ее средняя по сечению покрытий величина лежит в пределах 12+16%,

причем размер отдельных пор превышает 100-10 6м.

В результате оплавления на оптимальном режиме получается монолитное покрытие, происходит ноагуляция пор, уменьшение их размеров. Абсолютное значение пористости снижается до 1+3%. Испытания на адгезионную прочность оплавленных покрытии показали, что ее величина с 4 КГс/ммг возрастает на порядок и составляет не менее 40 КГс/мм2.

При испытании образцов на трещиностоИкость наблюдали пластическую деформацию и выкрашивание отдельных фрагментов покрытия без выхода трещин на границу соединения с подложкой и отслоения покрытия, что свидетельствовало о высокой трещиностойкости полученной струнтуры композита.

В пятой главе приводятся основные направления внедрения в производство разработанного плазмотрона и результатов исследований, проведенных в рамках диссертационной работы. Также приведен расчет экономической эффективности плазмоструйной термообработки газотермических покрытий.

Разработанный плазмотрон прошел промышленные испытания и внедрен на участие плазменного напыления Новосибирском г.

судостроительно- судоремонтного завода. Плазмотрон установлен в намере для напыления гребных винтов и на установке для напыления тел вращения.

Хронометраж, проведенный при термообработке покрытий на поршневых пальцах дизеля М- 400, показал, что замена ацетилено-нислородной горелки разработанным плазмотроном позволила увеличить производительность технологического процесса я в 10 раз. Также необходимо отметить, что за счет высокой плотности теплового потока при воздействии плазменной струи на обрабатываемую поверхность происходит значительно меньший разогрев всей массы детали, что позволяет сохранять исходные свойства ее материала.

Проведенные в диссертационной работе исследования использованы при создании специализированной опытно- промышленной технологической установки «Винт- 1», предназначенной для плазменного напыления и плазменной термообработки покрытий на гребных винтам. Установка разработана и изготовлена на базе промышленного робота в Новосибирском институте инженеров водного транспорта. Разработанный плазмотрон для термообработни газотермичесних покрытий является базовым плазмотроном указанной установка.

Здесь необходимо отметить, что использование оплавленных самофлюсующихся покрытий системы Ш.-Сг-В-81-С особенно эффективно в качестве защиты от коррозионного, гидроабразивного и кавитационного износов, т. е. как раз тех воздействий, в которых работают детали движительно- рулевого номпленса судов. Тан, если срон службы обычных гребных винтов на речных судах не превышает 1,5-2 навигаций, то гребной винт с защитным понрытием сохраняет свои расчетные характеристики не менеее 5 навигаций. Причем экономичесная эффективность упрочнения гребных винтов обусловлена не только увеличением срока службы, но и сохранением упрочненным винтом расчетных значений пропульсивного н. п. д. , а это, в свою очередь, позволяет экономить дизельное топливо. Тан, натурные испытания, проведенные на теплоходе «ОТ- 2000», показали, что упрочненный винт позволяет за одну навигацию энономить =¡5% топлива.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан электродуговой плазмотрон для термообработки газотермичесних покрытий, расчитанный на работу в ламинарном режиме.

2. Экспериментальное исследование его интегральных характеристик выявило некоторые особенности ламинарных режимов работы. В частности установлено, что вольт-амперные характеристики дугового разряда имеют жесткий или слабовозрастающий характер. Также установлен значительный рост теплового к. п. д. плазмотрона с увеличением расхода плазмообразующего газа.

3. Обнаружено, что для протяженной электрической дуги, которая имеет место в наналах плазмотронов с МЭВ, осевая стабилизация ее катодного участна играет определяющую роль в пространственной стабилизации всего дугового разряда.

4. Проведенные исследования температурной, сноростной и концентрационной неоднородностей плазменных струй, генерируемых плазмотроном в зависимости от условий ввода плазмообразующего газа, геометрической конфигурации выходного элентрода и режима течения в канале, позволили установить следующие закономерности:

-в области ламинарного режима течения в канале плазмотрона с МЭВ характер истечения струи плазмы для аксиального и тангенциального способов ввода плазмообразующего газа качественно аналогичен;

-наибольшее взаимодействие струи плазмы с окружающей средой происходит при использовании диффузора; электрод с уступом обеспечивает минимальный уровень взаимодействия; цилиндрический выходной электрод занимает промежуточное положение;

- независимо от режима течения в канале плазмотрона с МЭВ на срезе выходного электрода формируется достаточно равномерный профиль температуры.

5. Экспериментально обнаружена возможность возникновения одностороннего отрыва пограничного слоя на цилиндрическом участие канала в области анодной привязни дуги. Причем данный эффект наблюдался только при ламинарном режиме течения и нарушенной симметрии катода.

6. Проведенные измерения интегральных тепловых потоков от

гомогенной струи плазмы н нормально- установленной преграде подтвердили высокую эффективность использования ламинарных плазменных струй в начестве концентрированного источника энергии для локального нагрева. В частности установлено, что к. п. д. нагрева поверхности может превышать 90%.

7. Экспериментально установлено критическое значение числа Рейнольдса,при переходе через которое начинается перестройка режима течения струи. Установлено, что область перехода от ламинарного н развитому турбулентному течению имеет протяженный харантер. При перестройке режима течения, несмотря на рост потона энтальпии на срезе выходного элентрода плазмотрона, происходит снижение тепловых потоков от струи плазмы к преграде, что связано с резким возрастанием взаимодействия потона плазмы с окружающей средой.

8. Получены аппроксимационные зависимости, связывающие параметры теплового потона от струи плазмы н нормально- установленной преграде с режимными параметрами процесса в области ламинарно ) и переходного режимов течения струи.

9. Предложена методика оценки режимных параметров плазмоструйной термообработки гаэотермических понрытий.

10. Проведенные технологические исследования позволили установить, что наилучшая структура покрытия и переходной зоны «основа- понрытие» формируется в случае сноростного нагрева (не менее 50 К/с) до твердо-жидного состояния покрытия. В этом случае наследственная мелкозернистая карбоборидная фаза покрытия в сочетании с вязкой ферритно-перлитной основой обеспечивает повышенную износостойкость в сочетании с трещиностойностью.

Результаты исследований физико-механических характеристик покрытий после обработни струей плазмы в оптимальном, с точни зрения структуры, режиме подтвердили перспективность

плазмоструйной термообработни напыленных покрытий.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Кузьмин В. И. Элентродуговой нагреватель газа для термообработки защитных покрытий // Износостойкость и повышение надежности судовых деталей, механизмов и устройств: Сборник научн. трудов И ИИ ВТ а, -Новосибирск, - с. 33-36.

2. Лг,.)бьлн Л. К. , '..'.¿¡сипнин И. М. , Кузьмин В. И. , Токарев А. О.

Плазмоструйное оплавление порошковых покрытий // XI Всесоюзн. конф. по генераторам низкотемпературной плазмы: Тез. донл. , -Новосибирск, 1989, Ч. 2, - с. 384-385.

3. Арабьян JI К. , Засыпнин И. М. , Кузьмин В. И. , Токарев а. О. Структура малоуглеродистой стали с износостойким покрытием после термообработки ламинарной струей азотной плазмы. //Изв. со af СССР. -1990. Сер. техн. наун. - Вып. 2. -с. 99- 104.

4. Токарев А. О. , Кузьмин В. И. Влияние термообработки углеродисто! стали с самофлюсующимся понрытием на строение получаемогс композиционного материала // Повышение надежности ремонта судовое техники: Сборник научн. трудов НИИВТа, -Новосибирск, 1990, -с. 41-48.

5. Арабьян Л. К. , Нузьмин В. И. Электродуговой нагреватель газа. //Речной транспорт, 1989, - N4, -с. 12-13.

6. Kuzmin V.I.,Tokarev А.О. Thermal treatment of plasma-sprayinc coatings. //Proc. of the International Workshop, 3-9 Septembc 1990, Frunze, USSR, -p.375-382.

7.Kuzmin V.I.,Lyagushkln V.P., Solonenko O.P. Heat exchange oi plasma jet with flat barrier at laminar and transient state ol the plasma flow. /Proc. of Second European Congress on Thermal Plasma Processes, 7-9 September 1992, Paris.-в печати.

8. Новые материалы и технологии. / Теория и практика упрочнения материалов в экстремальных процессах. Под ред. Жукова М. Ф. , Панина Е Е. - Новосибирск: ВО «Науна», 1992, -с. 67-71.

160-

1 40 -

120

100

,, „ „ 5

,111----к4

--В- -а 2

о-—9---—и - Д-А-А----—-А- ¿1 " ___ 1

i и i i i i i i | i i i i ii ii i i i i i i i i i ii i и i i i ii i i i i i i i i i i ! i i i i i i i и i i i ii i i и i

180 200 220 240 260 280 300

Рис. I. Вольт-амперные характеристики дуги плазмотрона. С«2:1-0.4.10 ,кг/с; 2-0,6» 10~7кг/с; 3-0,8*10 ,кг/с 4-1,0*10"?кг/с; 5-1.2» 10 кг/с; 6-2,0»10"5кг/с. С«: 7-1,0*10 кг/с.

1,А

Пт,%

80

50-

40-

20-

И I I I I I I I I I | I I и I I I I I | I I м I I I 1 ; I I . I I I и I I ; I I I п п м | I I м I I I I I | I I и м

180 200 220 240 260 280 300

¡1,А

Рис.2. Тепловой КПД плазмотрона,

С„,: 1 -0,4.10Лг/с; 2-0,6* 10 ,кг/с; 3-0,8.10"'кг/с 4— 1,0* 10 кг/с; 5-1,2»Ю" кг/с; 6-2,0»Ю^кг/с

а)

Рко.з. Cx-Jíü.! saíociiK электродов

а-^льндр^-Д^Фугюр-.в-уступ.

0.8 -

К/Ч

Рис.4. Радиальные распределения температуры струи плазмы в безразмерной виде при цилиндрическом выходном электроде (1,г), электроде с уступом (2,2') и диффузор ном выходной электроде (.3,37. 1,2,3-2=5; Т.г'.З'-^Ю.

1.0 -

0.8 -

0.5 -

0.3 -

0.0

Рис. 5. Радиальные распределения скорости струи плазиы з безразмерной виде при цилиндрическом выходном электроде (1,1'), электроде с уступок (2.2') а диффузор ном выходном электроде (3,3'). 1,2.3-;=5, 1 ',2',3'-2= 10.

т/т„

1.0

0.9

0.8 I | | | | | | | | | | I 11 I I 11 | II I I |

0.6 0.4 0.2 0.0 0.2 0.4

0.6

Рис.6.Профили температур азотной плазмы в 'безразмерном виде на срезе выходного электрода, 1 -Сна=0,8« 1кг/с ^е,=580);

2-0«= 1,2.10"5 кг/с ((^-820). _

3-плаэмотрон ОПН-1,С^-ЫО кг/с (Яей=940).

О.кВТ

16-

12-

Рис.7. Интегральный тепловой поток от гомогенной струи плазмы к преграде при цилиндрическом выходном электроде (1), электроде с уступом (2) и диффуэорном выходном электроде (3).

Q.kBT

-т -

о/

/

/ /о

150

i 11 111 i 11 | i i i ii 11 11 | 1111 i | i i i | i i

200

250

300

Рис.9. Интегральный тепловой поток от гомогенной струи плазцц к преграде в зависимости от тока дуги плазмотрона

4

25

U-I-It; Q.kBT

20-

15-

10-

_Gk.» 1 о3, кг/с

i i i 11 11 I 111 I i 111 i 11 11 11 i i i i i i | i 11 i 111 11 | 11 I II i i i i | м i 1 i /

0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3

Рр

| I -I I I | I I I i М I I I | I I I ' I ' I ' ' I I I ' I I I I I J 280 380 480 580 6S0 780 880

Рис.10, интегральный тепловой "поток от гомогенной плазмы к преграде в зависимости ог расхода плеэмообреэутощего газа (режима течения ). 1-Z-6; 2—2=3; 3-г-10.