автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной стойкости поверхностей элементов котлов с "кипящим слоем" путем создания защитных покрытий сверхзвуковой газопорошковой наплавкой

На правах рукописи

Маньковский Сергей Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОТЛОВ С «КИПЯЩИМ СЛОЕМ» ПУТЕМ СОЗДАНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ СВЕРХЗВУКОВОЙ ГАЗОПОРОШКОВОЙ

НАПЛАВКОЙ

Специальность 05 03 06 -Технологии и машины сварочного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0031ТБ410

Барнаул - 2007

003176410

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им И И. Ползунова

Научный руководитель- доктор технических наук, профессор

Радченко М В

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Гурьев А М

Защита состоится 21 декабря 2007 года в 10 00 на заседании диссерта

ционного совета Д 212 004 01 при Алтайском государственном техническо университете им И И Ползунова по адресу. 656038, Барнаул, пр Ленина, 46 факс 8-(3852)-367-903

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Алтайско го государственного технического университета им И И Ползунова

кандидат технических наук, профессор Чижов В Н

Ведущее предприятие ОАО «АНИТИМ»

Автореферат разослан « » ноября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совг--кандидат технических наук, доцент

Шевцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Как известно, многие отрасли промышленности, такие как энергетика, являются энерго- и материалоемкими. При длительной эксплуатации рабочие поверхности узлов, механизмов и конструкций, соприкасаясь друг с другом или с агрессивной средой, подвергаются активному изнашиванию, что приводит к потере их работоспособности и выходу из строя. Примером тому является, катастрофически быстрый износ поверхности трубных элементов в котлах с «кипящим слоем», предназначенных для работы на низкосортном твердом топливе.

Принцип действия таких теплоэнергетических установок следующий (рисунок 1): сжатый воздух, подаваемый через специальные форсуночные устройства в топочную камеру котлоагрегата, при взаимодействии с песком образует потоки абразивных частиц, измельчающие топливо в высокотемпературной области около 650°С. Измельчение топлива способствует его полному сгоранию в топочной камере котла.

Основной проблемой при эксплуатации котлоаг-регатов данного типа является небольшой срок межремонтного периода 1,5...2,5 месяца, из-за того, что влияние потоков абразивных частиц в высокотемпературной области и окислительное воздействие воздуха с продуктами горения на рабочие поверхности трубных элементов топочной камеры приводят к их активному изнашиванию, потере работоспособности и выходу из строя.

Поэтому актуальной является задача экономически обоснованного увеличения срока службы элементов котлоагрегатов, подверженных износу. Для решения поставленной задачи необходимы новые технологии, материалы, оборудование, а также четко сформулированные технические требования, учитывающие характер и условия работы конкретных деталей при эксплуатации. Делая заключение о целесообразности

Рисунок 1 - Схема работы котлоагрегата с «кипящим слоем»: 1 - трубные панели, 2 - зона абразивного износа, 3 - защитное 4 - топливо+песок

внедрения той или иной технологии, особое внимание следует обращать на экономические факторы

Многолетняя практика создания защитных слоев металла говорит о том, что при использовании концентрированных потоков энергии возможно получать наиболее качественные покрытия, то есть с однородной структурой Также известно, что чем однороднее структура, тем выше стойкость материала сопротивляться разрушению Широко известны работы, в которых рассматриваются различные аспекты создания защитных покрытий с использованием газотермических методов и концентрированных потоков энергии, таких авторов, как Б Е Патон, Б А Мовчан, О К Назаренко, А А Кайдалов, А Л Тихоновский, Н А Ольшанский, И В Зуев, М В Радченко, Г А Месяц, И Л Поболь, В Е Панин, В В Башенко, М Ф Жуков, В С Чередниченко, О П Солоненко, А С Аньшаков, В В Марусин и др

В данной работе для решения задачи повышения надежности, увеличения эксплуатационного ресурса наиболее интенсивно изнашивающихся деталей, на основании сравнительного анализа способов нанесения защитных покрытий предлагается использовать альтернативный способ упрочнения и восстановления рабочих поверхностей методом сверхзвуковой газопорошковой наплавки (СГП-наплавки) Этот метод обладает рядом технико-экономических преимуществ перед иными способами упрочнения увеличение концентрации теплоты, относительная простота реализации процесса нанесения покрытий, универсальность применения При этом стоимость оборудования для наплавки и затраты на эксплуатацию в 3 5 раз ниже, чем при плазменном способе наплавки аналогичных покрытий

Предварительные исследования уровня качества покрытий, наплавленных методом дозвуковой газопорошковой наплавки, показали, что данная технология требует дальнейшего развития и совершенствования Работа выполнялась в рамках федеральной программы «Старт 05»

Цель работы. Разработка технологических основ процессов создания защитных износостойких покрытий методом сверхзвуковой газопорошковой наплавки высоколегированных сплавов на поверхность трубных элементов котельных установок с «кипящим слоем»

Для достижения сформулированной цели работы решались следующие научные и прикладные задачи.

1 Проанализировать существующие способы напыления и наплавки и обосновать выбор способа и материалов для нанесения защитных износостойких покрытий на элементах котлоагрегатов с «кипящим слоем»

2 Провести критериальный выбор методик качественного и количественного анализа физико-механических свойств наплавленных покрытий

3 Выявить механизм влияния сверхзвукового газового потока на качество защитного покрытия по сравнению с дозвуковым газовым потоком

4 Выявить технологические особенности применения сверхзвукового газового потока по сравнению с дозвуковым газовым потоком применительно к про-

цессу газопорошковой наплавки и сформулировать технологические рекомендации по СГП-наплавке

Методики исследований. В работе использованы как стандартные, так и оригинальные методики экспериментальных исследований процессов наплавки и наплавленных слоев Наплавку производили на разработанном и запатентованном авторским коллективом ООО «НИИ Высоких Технологий» устройстве для сверхзвуковой газопорошковой наплавки на образцах-имитаторах элементов котлоагрегатов с «кипящим слоем»

Исследования микроструктуры покрытий проводились с использованием оптических микроскопов типа ММР-4 Фазовый рентгеноструктурный анализ выполнялся с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-2 0 Определение карбидной составляющей выполнялось в соответствии с ГОСТ 5639-82, при этом учитывались насыщенность, равномерность распределения, размер и количество карбидной составляющей на единице площади наплавленного покрытия

Микротвердость наплавленных слоев измерялась по стандартной методике на приборе ПМТ-ЗМ с использованием фотоэлектрического окулярного микрометра ФОМ-2, точности которого достаточно для решения данной задачи

Исследования износостойкости проводились по схеме изнашивания неподвижно закрепленными частицами абразива на машине трения МИ-1М Весовой износ образцов определялся с помощью весов ВЛР-200 (точность 0,1 мг)

Все расчеты и обработка экспериментальных данных проводилась с использованием современной компьютерной техники Достоверность полученных результатов при решении поставленных в диссертационной работе задач обеспечивалась использованием современных серийных приборов, технологического оборудования, компьютерной техники и стандартных методик экспериментальных и теоретических исследований, количеством повторений опытно-экспериментальных исследований, а также получением адекватных практических результатов

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

1 Впервые теоретически и экспериментально обоснована необходимость и целесообразность использования сверхзвуковых газовых струй для газопорошковой износостойкой наплавки защитных покрытий на изнашиваемых элементах котельных установок с «кипящим слоем»

2 Выявлен механизм влияния сверхзвукового газового потока на качество защитного покрытия по сравнению с дозвуковым газовым потоком, заключающийся в следующем

В результате комплексных исследований структурно-фазового состава и физико-механических свойств защитных покрытий системы МьСг-В-Б! установлено, что увеличенная концентрация теплоты в сверхзвуковом газовом потоке способствует получению равновесной структуры в виде никелевой матрицы, насыщенной мелкодисперсными карбидными включениями глобулярной формы размером 2,0 3,0 мкм равномерно распределенными по покрытию на приблизи-

тельно одинаковом расстоянии друг от друга, что отвечает требованиям высоких качественных показателей покрытий

При этом значения микротвердости имеют более стабильные показатели, меньший разброс и равномерное распределение Это свидетельствует о том, что такие покрытия являются гомогенными, то есть имеют более равновесную структуру и равномерное распределение карбидных составляющих, а следовательно они более работоспособны по сравнению с покрытиями, наплавленными дозвуковой наплавкой Это определяет факт того, что покрытия с толщиной 1,5 2,0 мм обладают износостойкостью в 3,6 . 4,0 раза более высокой, чем при дозвуковой газопорошковой наплавке.

3 Выявлены следующие технологические особенности применения сверхзвукового газового потока по сравнению с дозвуковым газовым потоком применительно к процессу газопорошковой наплавки

- уменьшение расхода горючего и окислительного газов при одинаковом давлении кислорода - в 1,3 .2,0 раза, пропана в 1,3 1,8 раза,

- уменьшение длины факела пламени в 3 . 5 раз,

- уменьшение времени нагрева в 1,8.. 2 раза,

- формирование наплавленных валиков меньшей ширины 5 10 мм,

- уменьшение пятна нагрева и повышение концентрации энергии в пятне нагрева в 4 5 раз и, как следствие, повышение таких важных показателей качества покрытий, как износостойкость при значительно меньшем расходе газов и порошкового материала;

Практическая значимость работы.

1 Разработана технология сверхзвуковой газопорошковой износостойкой наплавки защитных покрытий, которая позволяет использовать отечественные сравнительно недорогие, промышленно выпускаемые порошковые износостойкие материалы системы №-Сг-В-81 с фракцией 40 .100 мкм

2 На основе результатов исследований, выполненных в рамках диссертации, разработаны научно-обоснованные технологические рекомендации по созданию защитных покрытий на элементах теплоэнергетических установок - поверхностях панелей котлоагрегатов с «кипящим слоем» с использованием серийно выпускаемых материалов на основе Ы1-Сг-В-81 сплавов

3 Установлены рациональные диапазоны технологических режимов процесса СГП-наплавки скорость наплавки — 6 9 м/ч, дистанция наплавки -25 .30 мм, давление горючего газа (пропана) 0,8 1,0 атм , окислительного газа (кислорода) 4,5 .5 атм,), при которых создаются условия, позволяющие получать покрытия с высокой износостойкостью Так при эксплуатации элементов котлоагрегатов с «кипящим слоем», условия работы которых предполагают комплексное воздействие высоких температур, взвешенных абразивных частиц и коррозионной среды, установлено повышение их износостойкости в 10 12 раз по сравнению с незащищенными поверхностями экранных труб топочных камер теплоэнергетических установок

4 Научно-технические решения, изложенные в диссертации, приняты и планируются к дальнейшему использованию на предприятии ОАО «Бийский котельный завод» Соответствующие подтверждающие документы приведены в Приложении к диссертации

Вклад автора в представленной работе состоит в выполнении анализа технической литературы, организации выполнения экспериментов и обработке их результатов Формулирование основных положений, выводов и технологических рекомендаций

Основные положения, выносимые на защиту:

- аналитическое обоснование применения технологии СГП-наплавки и критериальный выбор порошковых сплавов системы Ni-Cr-B-Si для создания защитных покрытий, имеющих достаточно высокую износостойкость, для элементов котлоагрегатов с «кипящим слоем»,

- совокупность результатов экспериментальных технологических исследований и обобщений характеристик структурно-фазового состава, физико-механических и эксплуатационных свойств покрытий, полученных методом СГП-наплавки,

- алгоритм создания защитных износостойких покрытий методом СГП-наплавки,

- рациональные технологические режимы процесса СГП-наплавки,

результаты экспериментальных сравнительных исследований технологических характеристик дозвукового и сверхзвукового газовых потоков

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и докладывались на региональных, всероссийских и международных конференциях по вопросам современных ресурсосберегающих технологий, а также межкафедральных научно-технических семинарах

Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» — г Новосибирск, 2005 г, Всероссийской конференции аспирантов и студентов — победителей I тура Конкурса инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение» - г Барнаул, 2005 г, Всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ми частях «Наука Технологии Инновации» г Новосибирск, 2006 г, Всероссийской научно-технической конференции «Наука Оборона Промышленность» г Новосибирск, 2006 г, Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения ТВ Ершова «Современные технологические системы в машиностроении (СТСМ - 2006)» г Барнаул, 2006 г , The twelwth International Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduetes and Young Scientists «Modern Techniques and Technologies» -Tomsk, 2007 Материалы диссертации неоднократно обсуждались на научно-технических семинарах кафедры «Малый бизнес и сварочное производство» АлтГТУ

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 1 публикация в журнале из списка, рекомендованных ВАК и сборниках докладов на международных и региональных конференциях, 1 отчет о НИР, получен 1 патент на полезную модель

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы и приложений Диссертация изложена на 156 страницах, в том числе содержит 54 рисунка, 15 таблиц, список литературы из 72 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность изучаемой в диссертации проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, показаны методы исследований, научная новизна и практическая ценность результатов работы, сформулированы положения, выносимые на защиту

В первой главе представлен краткий анализ проблемы ресурсосбережения в теплоэнергетике, которая в настоящее время приобретает особое значение Приведен обзор технической литературы и анализ конструкции котлоагрегата с «кипящим слоем», материалов и способов нанесения защитных покрытий наиболее подходящих для решения проблемы ресурсосбережения котлоагрегатов с «кипящим слоем» Показано, что применение котлоагрегатов данного типа выгодно, так как они обладают рядом преимуществ по сравнению с другими типами котельных установок Однако основной проблемой является потеря работоспособности ранее плановых сроков из-за того, что при длительной эксплуатации в агрессивных средах рабочие поверхности элементов котлоагрегатов с «кипящим слоем» подвергаются преимущественно абразивному и коррозионному износу

Эту проблему в работе предполагается решить применением новых современных высокотехнологичных способов нанесения защитных покрытий на изнашиваемые поверхности Предварительный экономический анализ показал, что наиболее предпочтительными являются газопламенные методы с использованием сверхзвуковых газовых струй и высоколегированных порошковых сплавов

Во второй главе выполнен анализ современных материалов для наплавки защитных покрытий и обоснование выбора материалов для создания на элементах котлоагрегатов с «кипящим слоем» износостойких покрытий Представлена характеристика используемой технологической аппаратуры для газопорошковой наплавки Дана краткая характеристика методик изучения микроструктуры, фазового состава и физико-механических свойств защитных износостойких покрытий С целью исследования микроструктуры наплавленного покрытия использовалась методика световой микроскопии Структурные исследования проводились на оптическом микроскопе типа ММР-4, позволяющем получать четкие изображения при различных увеличениях, а также использовать для съемки микроструктуры цифровую фотокамеру, позволяющую получать качественные снимки Фотографии микроструктур, полученные с помощью цифровой фотокамеры

Nikon 4300, выполнялись при увеличении до 1000 раз для более четкого и наглядного изображения микроструктуры Съемка производилась на основном, наплавленном металле и границе сплавления Методика количественного анализа (ГОСТ 5639-82) карбидной фазы применялась для определения интенсивности и равномерности распределения, размера и количества карбидной составляющей в наплавленном покрытии

С целью определения фазового состава наплавленных покрытий был применен фазовый рентгеноструктурный анализ Съемка рентгенограмм выполнялась с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-2 0, с использованием монохроматического излучения изотопов кобальта Со57, что обеспечивало получение четких, неразмытых дифракционных пиков для идентификации фазовых составляющих

С целью более детального исследования свойств наплавленных покрытий проводились испытания на микротвердость, как показателя однородности состава покрытий, при одновременном определении общего уровня изменения твердости Распределение микротвердости качественно характеризует микроструктуру исследуемого материала, ее однородность или неоднородность, насыщенность твердой фазой, равномерность расположения твердой фазы в матрице, что определяет способность материалов покрытий сопротивляться абразивному износу

С целью изучения способности материала сопротивляться воздействию абразивных частиц также использовалась методика сравнительных испытаний наплавленных слоев на сопротивление механическому изнашиванию о жестко закрепленные частицы по ГОСТ 17367-71

Показано, что среди выпускаемых промышленностью порошковых сплавов в качестве износостойких наиболее часто используются высоколегированные самофлюсующиеся сплавы системы Ni-Cr-B-Si типа ПГ-СР2 ПГ-СР4 В таких сплавах износостойкость обеспечивается наличием хрома (11 18 %), образующего карбиды Технологичность таких сплавов в процессе наплавки определяется хорошей смачиваемостью, низкой температурой плавления эвтектики (1050°С), наличием флюсообразующих компонентов (Si и В) в исходном составе предопределяет равномерность распределения легирующих элементов в материале наплавленного слоя

В качестве базового метода для математического моделирования процессов получения защитных покрытий был выбран метод наименьших квадратов (МНК), хорошо зарекомендовавший себя и позволяющий с определенной степенью достоверности строить математические модели на основе экспериментальных данных

С использованием этого метода в результате произведенных необходимых расчетов, была определена степень влияния технологических параметров процесса на физико-механические свойства защитных покрытий и созданы предпосылки для дальнейших расчетов применительно к процессу СГП-наплавки

В третьей главе представлены результаты комплексных экспериментальных сравнительных исследований влияния технологических параметров дозву-

ковой и сверхзвуковой газопорошковой наплавки на микроструктуру, фазовый состав, распределение карбидов, микротвердости, износостойкость наплавленных покрытий. Наплавка выполнялась дозвуковым и сверхзвуковым газовым пламенем на аппаратуре для дозвуковой и сверхзвуковой газопорошковой наплавки в нижнем положении и горизонтальном положении на вертикальной плоскости.

Анализ микроструктуры (рисунок 2), и результаты рентгеноструктурного анализа (рисунок 5), позволяют сделать вывод о том, что при дозвуковой и сверхзвуковой газопорошковой наплавке покрытие представляет собой никелевую матрицу, насыщенную карбидными включениями преимущественно глобулярной формы, распределенными по покрытию на приблизительно одинаковом расстоянии друг от друга, что, в конечном счете, положение влияет на качественные показатели покрытий. Это подтверждается данными, полученными при исследованиях покрытий на износостойкость. Однако при сверхзвуковой газопорошковой наплавке карбиды имеют сравнительно меньший размер - 2,0...3,0 мкм, расположены на более близком и одинаковом расстоянии 1,0...3,0 мкм друг от друга. Равномерность распределения карбидов в никелевой матрице как вблизи, так и по мере удаления от границы сплавления позволяет говорить о гомогенности (однородности) наплавленного покрытия.

а) б)

Рисунок 2 - Микроструктура металла, наплавленного газопорошковой наплавкой а) дозвуковой, б) сверхзвуковой: 1 - наплавленный металл, 2 - карбиды, 3 - граница сплавления, 4 - основной металл (сталь 20К)

Структура основного металла феррито-перлитная без следов перегрева и пережога, что свидетельствует о том, что воздействие источника нагрева как при дозвуковой, так и при сверхзвуковой газопорошковой наплавке не приводит к изменению структуры основного металла.

Граница сплавления защитного покрытия и основного металла при обоих процессах наплавки относительно ровная, что положительно сказывается на надежности сплавления покрытия с основой, что также подтверждается результатами исследования микротвердости по границе сплавления. Однако следует от-

метить, что при сверхзвуковой газопорошковой наплавке граница сплавления более четкая.

Так как в производственных условиях цеха, котлоагрегат с «кипящим слоем» находятся в разобранном состоянии, то наплавка на его элементы, в частности на экраны, как правило, осуществляется в нижнем положении (вертикальное положение газовой струи и горизонтальное - изделия). В условиях ремонта ког-лоагрегата с «кипящим слоем» на месте его эксплуатации, он находится в собранном состоянии, при этом его элементы располагаются вертикально, поэтому в этом случае при наплавке покрытий используется горизонтальное пространственное положение газовой струи на вертикальной плоскости.

5 31)0 -

3 251) -2

3 201) -

| 150

1 ™ 6.

% 50 -

г^ Ь2

11

21

И . и

4 13(1 1

100

3

5ц

е

П.п

1.25 1.5 2

Рмчмср карбидной с

а)

3 3.5 5 £ 1.25 1.5 2 2.5 3 3.5 5

нощей, мкм Размер карбидной составляющей, мкм

б)

Рисунок 3 - Определение карбидной составляющей покрытия, наплавленного в нижнем положении (а) и горизонтальном положении на вертикальной плоскости (б)

Как видно из рисунка 3, различие в количестве карбидов на единице площади покрытия, наплавленного в нижнем положении и горизонтальном положении на вертикальной плоскости, не существенно. Это говорит о стабильности получаемых результатов и независимости процесса наплавки от пространственного положения источника теплоты.

При исследовании микротвердости, исходя из графиков представленных на рисунке 4, отмечено, что у покрытий, наплавленных сверхзвуковой газопорошковой наплавкой, по сравнению с дозвуковой газопорошковой наплавкой более стабильные показатели, меньший разброс и равномерное распределение значений микротвердости. Это означает, что такое покрытие более гомогенное, то есть имеет равновесную структуру и равномерное распределение карбидных составляющих, а следовательно более работоспособное по сравнению с покрытием, наплавленным дозвуковой наплавкой.

« 600

с

500

С? 400

и

оа

о 300

о.

£ 200

100

Основной металл Наплавленный металл

-0,5 -0,3 -0.1 0 0,1 0,3 0.5 0,7 0.9 1.1 1,3 Толщина, мм

а)

Основной металл Наплавленный металл

700

„ 600 е

500

ё

« 400

О)

I 300 й

% 200

-0,5 -0.3 -0,100,1 0,3 0.5 0,7 0,9 1,1 1,3 1.5 1,7 1.9 То.шц1ша, мм б)

Рисунок 4 - Распределение значений микротвердости в наплавленном металле при газопорошковой наплавке: дозвуковой (а) и сверхзвуковой (б)

Фазовый рентгеноструктурный анализ подтвердил наличие карбидных составляющих в наплавленном покрытии.

б)

Рисунок 5 - Фазовый состав наплавленного защитного покрытия: а) дозвуковая наплавка, б) сверхзвуковая наплавка

В защитном покрытии, выполненном дозвуковой и сверхзвуковой газопорошковой наплавкой, основным материалом является твердый раствор легирующих элементов в у-ЬН. Однако при сверхзвуковой газопорошковой наплавке, наряду с карбидами типа Ре3С, Сг3Сг, Сг7С3> присутствуют также бориды РеВ, Сг2В, Сг5В3, СгВ2, что предопределяет более высокие показатели износостойкости. Судя по физическому уширению на пиках рентгенограмм, величина микронапряжений в защитном покрытии при обоих способах наплавки незначительна.

Анализ результатов изнашивания наплавленных покрытий показал, что износостойкость образцов, выполненных дозвуковой наплавкой, как с толщиной покрытия Ь=1,5...2,0 мм, так и Ь=1,0...1,5 мм имеет по сравнению с эталоном (сталь 45 в закаленном состоянии) незначительные различия - в 1,1... 1,3 раза выше и по сравнению с износом образцов из стали 20К - в 2,0..,2,6 раза выше (рисунок 6).

Износостойкость образцов, выполненных сверхзвуковой наплавкой, с толщиной покрытия Ь= 1,0... 1,5 мм по сравнению с эталоном выше в 1,8... 2,0 раза, по сравнению с образцами из стали 20К - в 3,5...4,0 раза выше; с толщиной покрытия 11=1,5...2,0 мм по сравнению с эталоном выше в 4,0. ..4,5 раза, по сравнению с образцами из стали 20К - в 8,5...9,0 раза выше.

Износостойкость образцов с толщиной покрытия Ь= 1,0... 1,5 мм, выполненных сверхзвуковой газопорошковой наплавкой в 1,5 раза выше износостойкости образцов, выполненных дозвуковой газопорошковой наплавкой. Износостойкость образцов с толщиной покрытия Ь=1,5...2,0 мм, выполненных сверхзвуковой газопорошковой наплавкой в 3,6...4,0 раза выше износостойкости образцов, выполненных дозвуковой газопорошковой наплавкой.

Время, мин

Рисунок 6 - Износостойкость покрытий о закрепленные абразивные частицы: 1 - сталь 20К, 2 — сталь 45 (эталон), 3,4- валики, наплавленные дозвуковой газопорошковой наплавкой 11= 1,5... 2,0 мм и 1з= 1,0... 1,5 мм соответственно, 5,6-валики наплавленные сверхзвуковой газопорошковой наплавкой Ь=1,0... 1,5 мм и

Ь=1,5...2,0 мм соответственно

Установлено, что с увеличением толщины покрытия, увеличивается износостойкость. Так у покрытий при толщине равной 11=1,5...2,0 мм износостой-

кость повышается примерно в 2 раза по сравнению с толщиной покрытия Ь= 1,0 1,5 мм

В результате исследований установлено, что с помощью сверхзвуковой газопорошковой наплавки, можно получать покрытия с толщиной 1,5 2,0 мм, которые обладают равновесной структурой с равномерным распределением карбидных составляющих и достаточно высокой износостойкостью по сравнению с дозвуковой газопорошковой наплавкой (в 3,6 4,0 раза)

Результаты исследований показали, что характер микроструктуры и физико-механических свойств наплавленных покрытий в значительной степени зависят от технологических особенностей и режимов наплавки

Важным критерием качества наплавленных покрытий является соблюдение режима наплавки, в частности таких параметров, как температура пламени, скорость наплавки, дистанция наплавки При длительном времени оплавления происходит растворение карбидов, что приводит к снижению твердости и износостойкости покрытия В то же время при малом времени оплавления порошковых сплавов газы не успевают выйти на поверхность, образуя дефекты металлургического характера (поры)

Как показали результаты технологических экспериментальных исследований, газопорошковая наплавка происходит в узком интервале режимов, обеспечивающих удовлетворительное формирование наплавленных валиков с точки зрения износостойкости Формирование валиков обеспечивается в интервале скоростей для дозвуковой наплавки Ун = 3 5 м/ч - режимы 3, 7, на дистанции наплавки 20 25 мм, для сверхзвуковой - У„ = 6 9 м/ч на дистанции наплавки 25 30 мм Давление горючего и окислительного газов для дозвуковой и сверхзвуковой наплавки одинаково на редукторе кислорода 4,5 5 атм , на редукторе пропана 0,8 1,0 атм Увеличение скорости наплавки приводит к несплавлению и формированию неравновесной структуры, а ее снижение - к перегреву подложки и растворению карбидов

Причем фазовый рентгеноструктурный анализ показал, что в покрытиях, наплавленных на минимальных Ун из указанных интервалов, время теплового воздействия источника нагрева на наплавленный металл продолжительнее, что способствует появлению в нем четко выраженных карбидных фаз, по сравнению с покрытиями, наплавленными на максимальных значениях У„ из указанных интервалов, где пики карбидных фаз не всегда четко выявлены, что говорит о значительно меньшем размере указанных включений

В результате экспериментально-технологических исследований были выявлены особенности применения сверхзвукового потока газа по сравнению с дозвуковым применительно к процессу газопорошковой наплавки

- уменьшение расхода горючего и окислительного газов при одинаковом давлении кислорода - в 1,3 2,0 раза, пропана - в 1,3 1,8 раза,

- уменьшение длины факела пламени в 3 5 раз,

- уменьшение времени нагрева в 1,8 2 раза,

- более концентрированное газовое пламя,

- формирование наплавленных валиков сравнительно меньшей ширины -5 10 мм,

- уменьшение пятна нагрева и повышение концентрации энергии в пятне нагрева в 4...5 раз и, как следствие, повышение такого важного показателя каче- ' ства покрытий, как износостойкость при значительно меньшем расходе газов и порошкового материала.

В четвертой главе приведены результаты внедрения технологии газопорошковой наплавки на ОАО «Бийский котельный завод».

В заводских условиях ОАО «Бийский котельный завод» сначала по технологии дозвуковой газопорошковой наплавки были созданы защитные покрытия на участки трубных панелей, подверженные высокотемпературному газоабразивному износу (рисунок 7 - стрелкой показаны участки трубных панелей котло-агрегата с наплавленным покрытием). Проведенные в течение двух лет эксплуатационные испытания трех котлоагрегатов типа КВ-Ф-10-115-НТКС с низкотемпературной топкой с «кипящим слоем» с наплавленными трубными панелями, в условиях котельной г. Борзя показали следующее.

Рисунок 7 - Износостойкие защитные покрытия на поверхности трубных панелей котлоагрегатов с «кипящим слоем», выполненные методом дозвуковой

газопорошковой наплавки

1. Межремонтный период котлоагрегатов с незащищенными экранными трубными панелями в зависимости от типа углей (каменный или бурый) составляет 1,5...2,5 месяца. Обследования, проведенные во время остановки котлоагрегатов с наплавленными трубными панелями после 2 лет эксплуатации, следов износа не выявили, что подтверждается актом производственных испытаний. Эксплуатация котлоагрегата продлена еще на 1 год. Таким образом, стойкость трубных панелей с наплавленными защитными покрытиями при работе в усло-

виях воздействия абразивных частиц в высокотемпературной области повышается не менее чем в 10 12 раз

2 При стоимости ремонта одного котлоагрегата с заменой комплекта экранных труб порядка 600 тыс рублей реальный экономический эффект от внедрения технологии дозвуковой газопорошковой наплавки на одном котлоагрега-те составил 3,6 млн рублей в год

С учетом полученных экспериментальных данных по СГП-наплавке расчетным путем определено, что при использовании технологии сверхзвуковой газопорошковой наплавки следует ожидать дополнительное увеличение износостойкости в 3 4 раза по сравнению с дозвуковой наплавкой и рекомендовать этот способ для производства

Таким образом, по результатам представленной работы сформулированы технологические рекомендации по принципиальному решению проблемы повышения износостойкости трубных панелей и промышленной безопасности при эксплуатации котлоагрегатов с «кипящим слоем» - изготовление таких котлоаг-регатов с трубными панелями, имеющими защитные покрытия, заранее наплавленные по технологии сверхзвуковой газопорошковой наплавки

Результаты и выводы. Диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы - повышению надежности и долговечности деталей и элементов теплоэнергетических установок, работающих в условиях комплексного высокотемпературного, абразивного и коррозионного изнашивания, путем создания на изнашивающихся поверхностях защитных покрытий по технологии сверхзвуковой газопорошковой наплавки

На основе выполненных исследований сделаны следующие выводы

1 Впервые теоретически и экспериментально обоснована целесообразность использования сверхзвуковых газовых струй для создания на поверхности деталей износостойких защитных покрытий методом газопорошковой наплавки порошковыми сплавами

2 В результате критериального анализа существующих материалов для создания защитных покрытий установлено, что разработанная технология сверхзвуковой газопорошковой износостойкой наплавки защитных покрытий позволяет использовать отечественные сравнительно недорогие, промышленно выпускаемые порошковые самофлюсующиеся материалы системы Ы1-Сг-В-81 с фракцией 40 100 мкм

3 Установлены рациональные диапазоны технологических режимов процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки скорость наплавки - 6 9 м/ч, дистанция наплавки - 25 30 мм, давление горючего газа (пропана) 0,8 1,0 атм, окислительного газа (кислорода) 4,5 5 атм ,), при которых создаются условия, позволяющие получать покрытия с достаточно высокой износостойкостью Так при эксплуатации элементов котлоагрегатов с «кипящим слоем», условия работы которых предполагают комплексное воздействие высоких температур, взвешенных абразивных частиц и коррозионной среды, установлено повышение их износостойкости в 10 12 раз по сравнению с незащищенными поверхностями экранных труб топочных камер теплоэнергетических установок

4 Проведены комплексные исследования структурно-фазового состава и физико-механических свойств защитных покрытий системы №-Сг-В-81, полученных по разработанной технологии сверхзвуковой газопорошковой наплавкой

Установлено, что увеличенная концентрация сверхзвукового газового потока способствует получению равновесной структуры в виде никелевой матрицы, насыщенной мелкодисперсными карбидными включениями глобулярной формы размером 2,0 3,0 мкм равномерно распределенными по покрытию на приблизительно одинаковом расстоянии друг от друга, что отвечает требованиям высоких качественных показателей покрытий

При этом значения микротвердости имеют более стабильные показатели, меньший разброс и равномерное распределение Это свидетельствует о том, что такие покрытия являются гомогенными, то есть имеют более равновесную структуру и равномерное распределение карбидных составляющих, а следовательно они более работоспособны по сравнению с покрытиями, наплавленными дозвуковой наплавкой Это определяет факт того, что покрытия с толщиной 1,5 2,0 мм обладают износостойкостью в 3,6 . 4,0 раза более высокой, чем при дозвуковой газопорошковой наплавке

5 Выявлены особенности применения сверхзвукового потока газа по сравнению с дозвуковым потоком применительно к процессу газопорошковой наплавки

- уменьшение расхода горючего и окислительного газов при одинаковом давлении кислород - в 1,3 2,0 раза, пропан в 1,3 1,8 раза,

- уменьшение длины факела пламени в 3 5 раз,

- уменьшение времени нагрева в 1,8 2 раза,

- формирование наплавленных валиков меньшей ширины 5 10 мм,

- уменьшение пятна нагрева и повышение концентрации энергии в пятне нагрева в 4 5 раз и, как следствие, повышение таких важных показателей качества покрытий, как износостойкость при значительно меньшем расходе газов и порошкового материала

6 На основании выполненных в диссертации исследований разработаны научно обоснованные технологические рекомендации по созданию защитных покрытий на поверхностях трубных панелей котлоагрегатов с «кипящим слоем» С учетом разработанных технологических рекомендаций производится дозвуковая газопорошковая наплавка и планируется использование сверхзвуковой газопорошковой наплавки деталей теплоэнергетических установок на ОАО «Бийский котельный завод», с расчетным экономическим эффектом около 10 млн руб на одном котлоагрегате

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1 Радченко М В , Шевцов Ю О., Нагорный Д А , Маньковский С А , Перевалов П А Технология создания защитных покрытий на поверхностях котлоагрегатов с «кипящим слоем» сверхзвуковой газопорошковой наплавкой // Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе Тезисы 3-ей Всероссийской научно-практической конференции 30-31 марта 2005 г Новосибирск Изд-во НГТУ, 2005 -С 51-55

2 Маньковский С А , Нагорный Д А Практическая реализация защитных износостойких покрытий на элементах котлов с «кипящим слоем», работающих в условиях высокотемпературного абразивного износа // Материалы всероссийской конференции аспирантов и студентов - победителей I тура Конкурса инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение» Материалы конференции / Под общ ред А А Максименко - Барнаул Изд-во АлтГТУ, 2005 - С 67-70

3 Радченко М В , Шевцов Ю О , Маньковский С А , Нагорный Д А Проблемы и пути решения вопросов восстановления деталей железнодорожного состава // Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ти частях «Наука Технологии Инновации» Новосибирск Изд-во НГТУ, 2006 Часть2 -С 223-224

4 Радченко М В , Шевцов Ю О , Нагорный Д А , Маньковский С А Эффективные газодинамические методы нанесения защитных покрытий на объектах теплоэнергетики // Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ти частях «Наука Технологии Инновации» Новосибирск Изд-во НГТУ, 2006 Часть 2 -С 229-231

5 Радченко М В , Маньковский С А Комплексные исследования структуры и свойств защитных покрытий, выполненных методом газопорошковой наплавки // Материалы всероссийской научно-технической конференции «Наука Оборона Промышленность» Новосибирск Изд-во НГТУ, 2006 - С 311

6 Радченко М В , Шевцов Ю О , Федоров В А , Маньковский С А , Нагорный ДА Исследование прочности сцепления покрытия с основой как определяющего фактора качества // Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения ТВ Ершова «Современные технологические системы в машиностроении (СТСМ - 2006)» Барнаул Изд-во АлтГТУ, 2006.- С 70-73

7 Радченко М В , Шевцов Ю О , Нагорный Д А , Маньковский С А , Радченко Т Б Разработка технологической аппаратуры для сверхзвуковой газопорошковой наплавки // Обработка металлов №1, 2007 - С 16-18

8 Kiselev V S , Nagorny D А , Mankovsky S A Carrymg out of the Automated Electric Drive for the Process of Supersonic Gas-powder Cladding// International Scientific and Practical Conference of Students, Post-graduetes and Young Scientists «Modern Techniques and Technologies»(MTT 2007), Tomsk, Tomsk Polytechmc University - Tomsk TPU Press, 26-30 march, 2007 -51-53 p

9 Радченко M В , Шевцов Ю О , Радченко Т Б , Маньковский С А , Нагорный Д А , Черемисин П С Разработка комплекса автоматизированного оборудования и технологии создания защитных покрытий на деталях котлов с «кипящим слоем» Отчет о НИР по программе 3438 p/5897 «СТАРТ-05» ООО «НИИ Высоких Технологий» Руководитель М В Радченко Г Р № 012 0509888 Инв № 02 2 007 00277 Барнаул, 2006 - 82 с

10. Патент на полезную модель № 60410 Россия, МПК В22В 19/06 Устройство для сверхзвуковой газопорошковой наплавки / Радченко М В, Шевцов Ю О , Радченко Т Б , Нагорный Д А , Маньковский С А , заявл 4 07 2006, опубл 27 01 2007 в Б И №3

Издано в авторской редакции

Подписано в печать 30 10 07 Формат 60x84 1/16

Печать - ризография Уел п л 1,16

Тираж 100 экз Заказ 2007 - 22

Издательство Алтайского государственного технического университета им И И Ползунова, 656038, г Барнаул, пр-т Ленина, 46

Лицензия на издательскую деятельность ЛР№ 020822 от 21 09 98 г

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Анализ способов создания защитных покрытий на элементах котлов с «кипящим слоем».

1.1.1 Способы напыления защитных покрытий.

1.1.2 Способы наплавки защитных покрытий.

1.2 Анализ материалов, используемых для создания защитных покрытий.

1.3 Постановка цели и задач исследования.

2. МАТЕРИАЛЫ, АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ.

2.1 Материалы для создания защитных покрытий.

2.2 Технологическая аппаратура для реализации процесса дозвуковой и сверхзвуковой газопорошковой наплавки.

2.3 Методика выполнения технологических экспериментов по наплавке защитных покрытий.

2.4 Комплекс методов исследования механических и эксплуатационных свойств, структуры и фазового состава защитных покрытий.

2.5 Прогнозирование свойств защитных покрытий на основе регрессионных моделей.

Выводы.

3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДОЗВУКОВОЙ И СВЕРХЗВУКОВОЙ ГАЗОПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКИ И СВОЙСТВ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ.

3.1 Сравнительные исследования технологических параметров и характеристик газового потока при дозвуковой и сверхзвуковой газопорошковой наплавки.

3.2 Исследования механических и эксплуатационных свойств защитных покрытий, выполненных дозвуковой газопорошковой наплавкой.

3.2.1 Результаты световой микроскопии.

3.2.2 Результаты исследований фазового состава.

3.2.3 Результаты измерения микротвердости по сечению наплавленных слоев.

3.2.4 Исследование износостойкости защитных покрытий.

3.3 Исследования механических и эксплуатационных свойств защитных покрытий, выполненных сверхзвуковой газопорошковой наплавкой.

3.3.1 Результаты световой микроскопии.

3.3.2 Результаты исследований фазового состава.

3.3.3 Результаты измерения микротвердости по сечению наплавленных слоев, границе сплавления и приграничных участках.

3.3.4 Исследование износостойкости защитных покрытий.

3.4 Сравнительный анализ исследований свойств защитных покрытий, при дозвуковой и сверхзвуковой газопорошковой наплавке.

Выводы.

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

В теплоэнергетике одной из основных проблем является поверхностный износ, где твердые частицы топлива и золы нередко очень быстро разрушают системы топливоподачи, трубы и стенки газоходов, лотки и трубы гидрозолоудаления котлоагрегатов. Примером тому, является интенсивный абразивный износ участков трубных панелей котлоагрегатов с «кипящим слоем» (ККС). Котельные установки данного типа имеют широкое распространение, так как обладают рядом преимуществ по сравнению с иными типами котельных установок, что делает их использование экономически целесообразным. При этом основным недостатком является небольшой срок межремонтного периода 1,5.2,5 месяца, из-за того, что влияние абразивных потоков при высоких температурах и окислительное воздействие воздуха с продуктами горения на рабочие поверхности приводят к их активному изнашиванию, потере работоспособности и выходу из строя. Поэтому задача продления срока службы элементов котлоагрегатов, подверженных износу является актуальной.

На практике существуют различные способы решения данной проблемы, но наиболее выгодным является создание защитных покрытий на рабочих поверхностях, подверженных износу. Способ восстановления и материал покрытия выбираются в зависимости от среды эксплуатации изделия и требований, предъявляемых к рабочей поверхности. При этом в каждом конкретном случае требуется детальная проработка, включающая в себя анализ проблем износа, экономический анализ, обоснованный выбор материала, технологии и оборудования.

Анализ способов и материалов для создания покрытий, а также вида износа поверхностей трубных элементов в топочной камере котла с «кипящим слоем», показал, что наиболее подходящими для создания защитных покрытий представляются газотермические способы и высоколегированные порошковые сплавы. Среди существующих энерго-, материало- и ресурсосберегающих технологических процессов для создания защитных, износостойких, жаростойких и других функциональных покрытий все более заметную роль приобретают процессы газопорошкового напыления и наплавки сверхзвуковым газовым пламенем, сочетающие преимущества концентрированных источников нагрева и достоинства высоколегированных порошковых материалов, что делает их одними из перспективных процессов создания покрытий, обладающих комплексом защитных свойств. Несмотря на технологические и экономические преимущества процессов газопорошкового напыления и наплавки, создание защитных износостойких покрытий из высоколегированных сплавов сверхзвуковой газовой струей, исследования их свойств еще мало изучены и описаны в научно-технической литературе, поэтому существует необходимость дальнейших исследований свойств защитных покрытий - износостойкости, жаростойкости, коррозионной стойкости и т. д.

Среди наплавочных материалов комплексом свойств, необходимых для защиты при данном виде износа, обладают самофлюсующиеся порошковые сплавы системы Ni-Cr-B-Si, промышленно выпускаемые в России.

Предварительные исследования уровня качества покрытий, наплавленных традиционным методом газопорошковой наплавки, показали, что данная технология требует дальнейшего развития и совершенствования

Поэтому в данной работе для решения задачи повышения надежности, увеличения эксплуатационного ресурса наиболее интенсивно изнашивающихся деталей ККС, предложено использовать способ защиты рабочих поверхностей методом газопорошковой наплавки с последующей модернизацией аппаратуры для наплавки, направленной на повышение концентрации теплоты источника нагрева.

Работа выполнялась на кафедре «Малый бизнес 'и сварочное производство» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова и ООО «НИИ Высоких Технологий» в рамках хозяйственного договора № 8-05 с ОАО «Бийский котельный завод», единого заказ-наряда Министерства образования и науки РФ, проекта 373р/5897 федеральной программы «СТАРТ 05». Получен диплом за участие в конкурсе инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение» (Приложение 1). Также получен патент на полезную модель № 60410 на устройство для сверхзвуковой газопорошковой наплавки (Приложение 2), что подтверждает актуальность диссертационной работы.

Цель работы. Разработка технологических основ процесса создания защитных износостойких покрытий методом сверхзвуковой газопорошковой наплавки высоколегированных сплавов на поверхность трубных элементов котельных установок с «кипящим слоем».

Основными задачами работы являются:

1. Обосновать выбор способа и материалов для нанесения защитных покрытий на трубные элементы котлоагрегатов с «кипящим слоем».

2. Провести выбор методов качественного и количественного анализа механических и эксплуатационных свойств защитных покрытий.

3. Выявить механизм влияния сверхзвукового газового потока на структуру и свойства защитных покрытий.

4. Установить технологические особенности сверхзвукового газового потока применительно к процессу газопорошковой наплавки по сравнению с дозвуковым газовым потоком.

5. Сформулировать технологические рекомендации по СГП-наплавке.

Методы исследований. В работе использовались как стандартные, так и оригинальные методы экспериментальных исследований наплавленных покрытий. Качественные характеристики наплавленных слоев исследовались методами дюрометрии, микроструктурного, рентгеноструктурного анализов. Эксплуатационные свойства определялись испытаниями на износостойкость по различным схемам изнашивания. Наплавка производилась с помощью устройства для сверхзвуковой газопорошковой наплавки, разработанного и запатентованного авторским коллективом ООО «НИИ Высоких Технологий».

Исследования микроструктуры наплавленных покрытий проводились с использованием оптического светового микроскопа ММР-4. Фазовый рентгеноструктурный анализ выполнялся с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-2.0.

Микротвердость наплавленных слоев измерялась по стандартной методике на приборе ПМТ-ЗМ с использованием фотоэлектрического окулярного микрометра ФОМ-2 (точность 0,01 мм).

Исследования износостойкости проводились по схемам изнашивания о незакрепленные частицы абразива и жестко закрепленные частицы абразива на машине трения МИ-1М. Весовой износ образцов определялся с помощью весов ВЛР-200 (точность 0,1 мг).

Определение карбидной и боридной составляющей выполнялось в соответствии с ГОСТ 5639-82, при этом учитывались насыщенность, равномерность распределения, размер и количество упрочняющей фазы.

Все расчеты и обработка экспериментальных данных проводились с использованием компьютерной техники.

Достоверность полученных результатов при решении поставленных в диссертационной работе задач обеспечивалась использованием современных серийных приборов, технологического оборудования, компьютерной техники, стандартных методов и количеством повторений опытно-экспериментальных исследований.

Научная новизна.

1. Впервые теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность использования в качестве теплового источника сверхзвуковых газовых струй для газопорошковой наплавки защитных покрытий на изнашиваемых трубных элементах котельных установок с «кипящим слоем».

2. Выявлен механизм влияния сверхзвукового газового потока на структуру и свойства защитных покрытий, заключающийся в следующем:

- увеличенная концентрация теплоты в сверхзвуковом газовом потоке по сравнению с дозвуковым способствует получению структуры в виде никелевой матрицы, насыщенной мелкодисперсными карбидными и боридными включениями (2,0.3,0 мкм) глобулярной формы, равномерно распределенными по покрытию на примерно одинаковом расстоянии друг от друга, что отвечает требованиям высоких качественных показателей износостойких покрытий;

- значения микротвердости имеют более стабильные показатели, меньший разброс, объясняемые равномерным распределением упрочняющей фазы, что определяет более высокую работоспособность по сравнению с покрытиями, наплавленными дозвуковой наплавкой;

- износостойкость покрытий с толщиной 1,5.2,0 мм повышается в 3,6.4,0 раза по сравнению с дозвуковой газопорошковой наплавкой.

3. Выявлены технологические особенности сверхзвукового газового потока применительно к процессу газопорошковой наплавки по сравнению с дозвуковым газовым потоком:

- уменьшение расхода горючего и окислительного газов при одинаковом давлении: кислорода - в 1,3.2,0 раза, пропана в 1,3. 1,8 раза;

- уменьшение длины факела пламени в 3. .5 раз;

- уменьшение времени нагрева в 1,8.2 раза;

- увеличение скорости наплавки в 1,8.2 раза;

- формирование более узких наплавленных валиков (5. 10 мм);

- уменьшение размеров пятна нагрева и повышение концентрации теплоты в пятне нагрева в 4.5 раз.

Практическая значимость.

1. По итогам результатов исследований разработаны научно-обоснованные технологические рекомендации по реализации процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки защитных покрытий на трубных элементах теплоэнергетических установок с использованием серийно выпускаемых в России материалов на основе Ni-Cr-B-Si сплавов с фракцией 40. 100 мкм.

2. Экспериментально установлены рациональные технологические режимы процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки: скорость наплавки -6.9 м/ч, дистанция наплавки - 25.30 мм, давление горючего газа (пропана) 0,8. 1,0 атм., окислительного газа (кислорода) 4,5.5 атм., при которых создаются условия, позволяющие получать покрытия с высокой износостойкостью.

Так в сравнении со сталью 20К, из которой изготавливаются трубы теплообменников котлов с «кипящим слоем», износостойкость повысилась 8,5.9 раз, а в сравнении с покрытиями, выполненными дозвуковой наплавкой в 3,6.4,0 раза.

3. Научно-технические решения, полученные в работе, позволяют решить проблему повышения эксплуатационной стойкости изнашиваемых поверхностей котлоагрегатов с «кипящим слоем», приняты и планируются к дальнейшему использованию на предприятии ОАО «Бийский котельный завод». Соответствующие подтверждающие документы приведены в Приложении к диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование применения способа СГП-наплавки и выбора порошковых сплавов системы Ni-Cr-B-Si для создания защитных покрытий, обеспечивающих высокие показатели износостойкости поверхности на трубных элементах котлоагрегатов с «кипящим слоем».

2. Совокупность результатов экспериментальных исследований и обобщений характеристик структурно-фазового состава, механических и эксплуатационных свойств покрытий, полученных методом сверхзвуковой газопорошковой наплавки.

3. Алгоритм создания защитных покрытий методом сверхзвуковой газопорошковой наплавки.

4. Результаты экспериментальных сравнительных исследований технологических характеристик дозвукового и сверхзвукового газовых потоков.

5. Рациональные технологические режимы процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки.

Апробация работы.

Основные положения работы были представлены на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе». — г. Новосибирск, 2005 г.; Всероссийской конференции аспирантов и студентов — победителей I тура конкурса инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение». - г. Барнаул, 2005 г.; Всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ми частях «Наука. Технологии. Инновации» г. Новосибирск, 2006 г.; Всероссийской" научно-технической конференции «Наука. Оборона. Промышленность» г.Новосибирск, 2006 г.; Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Т.В. Ершова «Современные технологические системы в машиностроении (СТСМ - 2006)» г. Барнаул, 2006 г.; The twelfth International Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduetes and Young Scientists «Modern Techniques and Technologies». - Tomsk, 2007.

Материалы диссертации неоднократно обсуждались на научно-технических семинарах кафедры «Малый бизнес и сварочное производство» АлтГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 1 публикация в журнале из списка, рекомендованного ВАК, 1 отчет о НИР, публикации в сборниках докладов на международных и региональных конференциях. Получен 1 патент на полезную модель № 60410.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложений, включающих акты промышленных испытаний деталей с защитными покрытиями.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы -повышению надежности и долговечности деталей и элементов теплоэнергетических установок, работающих в условиях комплексного высокотемпературного, абразивного и коррозионного изнашивания, путем создания на изнашивающихся поверхностях защитных покрытий по технологии сверхзвуковой газопорошковой наплавки.

На основе выполненных исследований сделаны следующие выводы:

1. Впервые теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность использования сверхзвуковых газовых струй для создания на поверхности деталей котлов износостойких защитных покрытий методом газопорошковой наплавки высоколегированными сплавами.

2. В результате анализа существующих материалов для создания защитных покрытий установлено, что при сверхзвуковой газопорошковой износостойкой наплавке защитных покрытий можно использовать промышленно выпускаемые в России порошковые самофлюсующиеся материалы системы Ni-Cr-B-Si с фракцией 40. 100 мкм.

3. Установлены рациональные диапазоны технологических режимов процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки: скорость наплавки -6.9 м/ч, дистанция наплавки - 25.30 мм, давление горючего газа (пропана) 0,8. 1,0 атм., окислительного газа (кислорода) 4,5.5 атм., при которых создаются условия, позволяющие получать покрытия с достаточно высокой износостойкостью. Так в сравнении со сталью 20К, из которой изготавливаются трубы теплообменников котлов с «кипящим слоем», износостойкость повысилась 8,5.9 раз, а в сравнении с покрытиями, выполненными дозвуковой наплавкой в 3,6.4,0 раза.

4. Проведены комплексные исследования структурно-фазового состава, механических и эксплуатационных свойств защитных покрытий системы Ni-Cr-B-Si, полученных по разработанной технологии сверхзвуковой газопорошковой наплавкой, в результате которых установлено:

- увеличенная концентрация теплоты сверхзвукового газового потока способствует получению структуры в виде никелевой матрицы, насыщенной мелкодисперсными карбидными и боридными включениями глобулярной формы размером 2,0.3,0 мкм равномерно распределенными по покрытию на примерно одинаковом расстоянии друг от друга, что отвечает требованиям высоких качественных показателей покрытий.

- значения микротвердости имеют более стабильные показатели, меньший разброс и равномерное распределение. Это свидетельствует о том, что такие покрытия являются гомогенными, то есть имеют структуру с равномерно распределенными карбидами и боридами, а, следовательно, они более работоспособны по сравнению с покрытиями, наплавленными дозвуковой наплавкой.

- покрытия с толщиной 1,5.2,0 мм обладают износостойкостью в 3,6.4,0 раза выше, чем при дозвуковой газопорошковой наплавке.

5. Выявлены особенности сверхзвукового потока газа применительно к процессу газопорошковой наплавки по сравнению с дозвуковым потоком, заключающиеся в следующем:

- уменьшении расхода горючего и окислительного газов при одинаковом давлении: кислорода - в 1,3. .2,0 раза, пропана в 1,3. 1,8 раза;

- уменьшении длины факела пламени в 3.5 раз;

- уменьшении времени нагрева металла в 2 раза;

- формировании более узких наплавленных валиков (5. .10 мм);

- увеличении скорости наплавки в 1,8.2 раза;

- уменьшении размеров пятна нагрева и повышение концентрации энергии в пятне нагрева в 4. .5 раз.

6. На основании выполненных в диссертации исследований разработаны научно-обоснованные технологические рекомендации по созданию защитных покрытий на котлах с «кипящим слоем». Технологические рекомендации положены в основу для использования дозвуковой и сверхзвуковой газопорошковой наплавки деталей теплоэнергетических установок на ОАО «Бийский котельный завод», с расчетным экономическим эффектом при сверхзвуковой наплавке около 10 млн. руб. на одном котлоагрегате.

1. Хасуй, А. Наплавка и напыление / А. Хасуй, О. Моригаки; пер. с яп. В.Н. Попова; под ред. B.C. Степина, Н.Г. Шестеркина. - М.: Машиностроение, 1985.-240 е.: ил.

2. Кащеев, В.Н. Абразивное разрушение тел / В.Н Кащеев.- М.: Наука, 1970.-248 с.

3. Загородских, И.А. Исследование характеристик горения в «кипящем слое» и снижение загрязнения атмосферы теплоэнергетическими установками (на примере ТЭЦ-3, г. Барнаул): автореф. дис. . канд. техн. наук / И.А. Загородских.- Барнаул, 2006. 23 с.

4. НПО ЦКТИ Электронный ресурс. / ОАО «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. Ползунова» Электорн. дан. СПб. [1999-2007] Режим доступа: www.ckti.ru - загл. с экрана.

5. Соболев, А.Ю. Повышение конструктивной прочности деталей машин и аппаратов применением защитных покрытий: дис.канд. техн. наук / А.Ю. Соболев. Новосибирск, 1987 - 190 с.

6. Радченко, М.В. Комплексные исследования процессов формирования упрочняющих и защитных покрытий электроннолучевым методом: дис.докт. техн. наук: 05.03.01, 05.03.06 / М.В. Радченко. Новосибирск, 1993.- 358 с.

7. Антошин, Е. В. Газотермическое напыление покрытий / Е. В. Антошин. М.: Машиностроение, 1974. - 97 с.

8. Поляк, М.С. Технология упрочнения. Технологические методы упрочнения. в 2 т. Т. 1 / М.С. Поляк. М.: Машиностроение, 1995.- 832.е.: ил.

9. Готлиб, Л. И. Плазменное напыление / Л. И. Готлиб. М: ЦИНТИХИМНЕФ-ТЕМАШ, 1970. - 97 с.

10. Сидоров, А.И. Восстановление деталей машин напылением и наплавкой / А.И. Сидоров. М.: Машиностроение, 1987. - 192 е.: ил.

11. Линник, В.А. Современная техника газотермического нанесения по-' крытий: учеб. пособие для СПТУ / В.А. Линник, П.Ю. Пекшев. М.: Машиностроение, 1985. - 128 е.: ил.

12. Жебряков, О.Ю. Разработка комбинированного метода и технологических основ нанесения защитных покрытий на панели котлов малой мощности модульного типа: дис. . канд. техн. наук / О.Ю. Жебряков. Барнаул, 2002. -125 с.

13. Мировая сварка в России Электронный ресурс. / ООО «Шторм-итс» Электрон, дан. Екатеринбург. [2007] Режим доступа: www.storm-its.ru - загл. с экрана.

14. От дозвукового к сверхзвуковому газопламенному напылению покрытий при восстановлении и упрочнении деталей машин (обзор) / В.Н. Хромов, В.Г. Верцов, А .Я. Коровин, Н.Г. Абашев // Сварочное производство. 2001. -№2. - С. 39-48.

15. Хромов, В.Н. Упрочнение и восстановление деталей машин газотермическими покрытиями / В.Н. Хромов, А .Я. Коровин, Н.Г. Абашев // Экономика и производство. 2000. - №2. - С. 50 - 54.

16. Технологические особенности методов сверхзвукового газотермического напыления (обзор) / В.А. Фролов, В.А. Поклад, Д.В. Рябенко,

17. Викторенков//Сварочное производство. 2006. -№11.-С. 38 -47.

18. Герасимов, А.Н. Плазменная технология: опыт разработки и внедрения / А.Н.Герасимов. Л.: Лениздат, 1980.-152 е.: ил.

19. Фрумин, И.И. Теоретические и технологические основы наплавки. Новые процессы механизированной наплавки / И.И.Фрумин. Киев, 1977. — 112 с.

20. Радченко, М.В. Технологические особенности электроннолучевой наплавки в вакууме: учебное пособие / М.В.Радченко; Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. Барнаул: Комби-Принт, 2001. - 52 с.

21. Радченко, М.В. Методы электроннолучевой поверхностной обработки сплавов: обзорно-аналитический материал / М.В. Радченко.- Барнаул, 1990. 68 с.

22. Евсеев, Г.Б. Оборудование и технология газопламенной обработки металлов и неметаллических материалов: учебник для студентов вузов / Г.Б. Евсеев, Д.Л. Глизманенко. — М.: Машиностроение, 1974. -312 е.: ил.

23. Петров Г.Л. Технология и оборудование газопламенной обработки металлов: учебник для машиностроительных техникумов / Г.Л. Петров, Н.Г. Буров, В.Р. Абрамович. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978. - 277 е.: ил.

24. Сварка, резка, пайка металлов М.: Аделант, 2003. - 192 с.

25. Разработка программного продукта «Прогноз-техно» для исследования зависимости качества защитных покрытий от технологии их напыления / М.В. Радченко, Ю.О. Шевцов, С.А. Маньковский, С.Г. Уварова // Обработка металлов. -2007. №4. - С. 12-15.

26. Поболь, И. Л. Разработка методов электроннолучевого оплавления металлических изделий / И. Л. Поболь, А.А. Шипко // Порошковая металлургия. 1990. - №14. - С. 93-98.

27. Повышение долговечности легированных сталей путем оплавления их поверхности электронным пучком / Н.А. Ольшанский, А.В. Михайлов, В.А. Кривоногов, И.И. Трусова // Металловедение и термическая обработка материалов. 1984. - №9 - С. 30-31.

28. Мовчан, Б.А. Электроннолучевая наплавка и рафинирование металлов и сплавов / Б.А. Мовчан, A.JI. Тихоновский, Ю.А. Курапов. Киев: Наукова думка, 1973.-238 с.

29. Радченко, М.В. Структура и свойства индукционных и электроннолучевых наплавок / М.В. Радченко, Н.И. Батырев, В.П. Тимошенко // Металловедение и термическая обработка материалов. 1987. - №7 - С. 58-59.

30. Повышение качества газотермических покрытий при термической обработке токами высокой частоты и лазерным лучом / М.А. Глебова, А.Б. Корнев, В.В. Глебов, Е.К. Березин // Сварочное производство. 2004. - №6. - С. 43-46.

31. Синолицин, Э.К Особенности применения модифицированных струй для газопламенного напыления / Э.К Синолицин // Сварочное производство. -2004. №9. - С. 40-42.

32. Особенности процессов высокоскоростного газопламенного напыления / JI.X. Балдаев Н.Г. Шестеркин, В.А. Лупанов, А.П. Шатов // Сварочное производство. 2003. - №5. - С 43 - 46.

33. Технологические особенности нанесения покрытий методом HVOF на элементы газотурбинных двигателей / В.А. Фролов, В.А. Поклад, Б.В. Рябенко, Д.В. Викторенков, П.А. Шимбирев // Сварочное производство. 2003. - №11. -С. 23-30.

34. Белоцерковский, М.А. Оборудование для активированного газопламенного напыления защитных износостойких покрытий / М.А.Белоцерковский // Упрочняющие технологии и покрытия. 2005. - №3.,- С. 45-48.

35. Оборудование «Димет» для нанесения металлических покрытий при производстве и ремонте деталей машин / О.Ф. Клюев, А.И. Каширин, Т.В. Буз-дыгар, А.В. Шкодкин. // Сварочное производство. 2005. - №9. - С. 43-47.

36. Клюев, О.Ф. «Холодное» напыление металлических покрытий / О.Ф. Клюев, А.И. Каширин // Наука и жизнь. 2005. - №3. - С. 82-85.

37. Хасуй, А. Техника напыления: пер. с яп. / А. Хасуй. М.: Машиностроение, 1975.-288 с.

38. Гибкие шнуровые материалы Электронный ресурс. / СП «Техни-корд». Электрон, дан. — М., [2003]. - Режим доступа: www.technicord.ru. — загл. с экрана.

39. Газотермическое напыление композиционных порошков / А.Я. Кулик, Ю.С. Борисов, А.С. Мнухин, М.Д. Никитин. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. - 199 е.: ил.

40. Порошковая металлургия и напыление покрытия: учебник для вузов /В.Н. Анциферов, Г.В. Бобров, Л.К. Дружинин, С.С. Кипирисов,

41. В.И. Костиков, А.В. Крупин, В.В. Кудинов, Г.Б. Либенсон, Б.С. Митин, В.О. Роман. М.: Металлургия, 1987.- 792 с.

42. ГОСТ 21448-75. Порошки из сплавов для наплавки.

43. Лившиц, Л.С. Основы легирования наплавленного металла / Л.С. Лившиц, Н.А. Гринберг, Э.Г. Куркумелли-М.: Машиностроение, 1969.- 161 с.

44. Трефилов В.И. Физические основы прочности тугоплавких металлов / В.И. Трефилов, Ю.В. Мильман, С.А. Фирстов. Киев: Наукова думка, 1975. -315 с.

45. Пильберг, Е. В. Разработка технологии электроннолучевой порошковой наплавки в вакууме жаростойких износостойких покрытий системы Ni-Cr-B-Si: дис. . канд. техн. наук: 05.03.06 /Е. В. Пильберг Барнаул, 1999. - 120 с.

46. Бобров Г.В. Нанесение неорганических покрытий (теория, технология, оборудование): учеб. пособие для студентов вузов / Г.В. Бобров, А.А. Ильин- М.: Интермет Инжиниринг, 2004. 624 е.: ил.

47. Разработка технологической аппаратуры для сверхзвуковой газопорошковой наплавки / М.В.Радченко, Ю.О. Шевцов, Д.А. Нагорный, С.А. Маньковский, Т.Б. Радченко // Обработка металлов. 2007. - №1.- С. 16-18.

48. Патент на полезную модель № 60410 Россия, МПК В22В 19/06 Устройство для сверхзвуковой газопорошковой наплавки / М.В. Радченко, Ю.О. Шевцов, Т.Б. Радченко, Д.А. Нагорный, С.А. Маньковский; заявл. 4.07.2006; опубл. 27.01.2007, Бюл. №3.

49. Шехтер, С .Я. Наплавка металлов / С.Я. Шехтер, A.M. Резницкий. -М.: Машиностроение, 1982. 71 с.:ил.

50. Радченко, М.В. Комплексные методы исследований в технологии и материаловедении защитных покрытий: учебное пособие / М.В.Радченко В.Г.Радченко, Ю.О. Шевцов; Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1995. 56 с.

51. Лаборатория металлографии / Е.В. Панченко, Ю.А. Скаков, Б.И. Кример и др.. 2-е изд. - М.: Металлургия, 1972. - 240 с.

52. ГОСТ 9.302 79. Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Правила приемки и методы контроля.

53. Коваленко, B.C. Металлографические реактивы: справочное издание /

54. B.C. Коваленко. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1981. — 120 с.

55. Справочник по металлографическому травлению / под ред. М Беккерт, X. Клемм.- М.: Металлургия, 1979.- 336 с.

56. ГОСТ 5639 82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна.

57. Миркин, Л.И. Рентгеноструктурный контроль машиностроительных материалов / Л.И. Миркин. М.: Машиностроение, 1979. - 134 с.

58. Русаков, А.А. Рентгенография металлов / А.А. Русаков. М.: Атомиз-дат, 1977.-480 с.

59. Горелик, С.С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ /

60. C.С. Горелик, Л.Н. Расторгуев, Ю.А. Скаков.- М.: Металлургия, 1970.- 338 с.

61. Металловедение и термическая обработка стали: справочное изд. Т.1: Методы испытаний и исследования / под ред. M.JI. Бернштейна, А.Г. Рахштадта.- 3-е изд.перераб. и доп. М.: Металлургия, 1983. - 325 с.

62. ГОСТ 9450 — 76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников.

63. Тушинский, Л.И. Исследование структуры и физико-механических свойств покрытий / Л.И. Тушинский, А.В. Плохов. Новосибирск: Наука, 1986. - 201 с.

64. Хрущев М.М. Абразивное изнашивание / Хрущев М.М., М.А Бабичев. -М.: Наука, 1970.- 252 с.

65. ГОСТ 17367-71. Металлы. Метод испытания на абразивное изнашивание при трении о жестко закрепленные абразивные частицы.

66. Борисов, М.В Ускоренные испытания машин на износостойкость как основа повышения их качества / М.В. Борисов, И.А. Павлов, В.И. Постников. -М.: Изд-во стандартов, 1976. —352 с.

67. ГОСТ 23.201-78. Метод испытания материалов и покрытий на газоабразивное изнашивание с помощью центробежного ускорителя.

68. Виноградов, В.Н. Абразивное изнашивание / В.Н. Виноградов, Г.М. Сорокин, М.Г. Колокольников. — М.: Машиностроение, 1990. — 224 е.: ил.

69. Изнашивание защитных покрытий в условиях воздействия газоабразивной среды / Л.И. Тушинский, А.А. Батаев, В.А. Батаев, И.С. Гельтман // Проблемы прочности.- 1988.- N 5. С. 108-110.

70. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. -М.: Металлургия, 1969.-252 с.

71. Крутов, В.И. Основы научных исследований: учеб. для техн. вузов / В.И. Крутов, И.М. Грушко, В.В. Попов и др. М.: Высш. шк., 1989. - 400 е.: ил.