автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Повышение износостойкости наплавленных покрытий путём выбора рациональных технологических параметров на основе диагностики сверхзвуковых газопорошковых струй

003492346

На правах рукописи

Киселев Вадим Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ НАПЛАВЛЕННЫХ ПОКРЫТИЙ ПУТЁхМ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ОСНОВЕ ДИАГНОСТИКИ СВЕРХЗВУКОВЫХ ГАЗОПОРОШКОВЫХ СТРУЙ

Специальность 05.02.10 -Сварка, родственные процессы и технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 ФЕ9 2010

Барнаул-2010

003492346

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Радченко Михаил Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Смирнов Александр Николаевич

кандидат технических наук, доцент Тимошенко Владимир Петрович

Ведущее предприятие: ОАО «АНИТИМ» (г. Барнаул)

Защита состоится 19 марта 2010 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212.004.01 при ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» по адресу: 656038, Барнаул, пр. Ленина, 46; факс: 8-(3852)-367-903, e-mail: yuoshevtsov@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

Автореферат разослан « 19 » марта 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,______________„у

кандидат технических наук, доцент ~ Ю.О. Шевцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Высокие механические и тепловые нагрузки, воздействие различных агрессивных сред на детали, сопровождающие работу технологического оборудования вызывают износ и повышенный риск возникновения аварий и техногенных катастроф в машиностроении и энергетике. Важнейший показатель надежности и долговечности оборудования - состояние поверхностного слоя его деталей, так как разрушение конструкционного материала начинается с его поверхности. Образование различных дефектов на поверхности изделия вследствие абразивного износа, воздействия активных сред и т.д. приводит к потере необходимых качественных характеристик деталей оборудования.

В мире большое распространение получил процесс напыления защитных покрытий сверхзвуковыми газовыми струями. В этом процессе используются напылительные порошки фракцией до 10 мкм, производимые исключительно за рубежом. Однако, как известно, все процессы напыления имеют существенный недостаток, ограничивающий их промышленное применение - вероятность отслоения покрытия из-за его относительно низкой прочности сцепления с основой.

Кардинально решить эту проблему возможно с помощью замены напылительных процессов наплавкой износостойких материалов, в частности новым эффективным процессом - сверхзвуковой газопорошковой наплавкой (СГП-наплавкой). Отличительной технологической особенностью СГП-наплавки является более высокая концентрация энергии газопламенного источника нагрева при увеличении скорости истечения газовых потоков на срезе сопла газопламенной установки. При этом влияние характеристик самого пламени на свойства наплавляемого защитного покрытия является очевидным.

Характерным для СГП-наплавки сплавов на основе никель-хром-бор-кремний фракции 40... 100 мкм является образование наплавленного защитного покрытия со структурой, представляющей №-матрицу с равномерно распределенными раздробленными карбидами. Это позволяет увеличить износостойкость поверхностей оборудования в 8... 12 раз.

В процессах сверхзвуковой газопорошковой наплавки главным технологическим инструментом получения покрытия является сверхзвуковая газопорошковая струя - сверхзвуковой поток горящей газовой смеси с летящими частицами порошкового сплава ПГ-СРЗ. На данный момент физические процессы горения различных топлив и горючих смесей достаточно изучены, однако мало внимания уделяется изучению физических процессов, происходящих в газопорошковых струях в технологических процессах нанесения защитных покрытий.

Выявление законов формирования защитного покрытия и коэффициентов влияния технологических и физических параметров газопорошковой струи в процессе СГП-наплавки на эксплуатационные свойства наплавленного покрытия позволит получать покрытие с заранее прогнозируемыми свойствами при обеспечении рационального диапазона режимов процесса.

Ввиду новизны и сложности процесса газопорошковой наплавки её технологические параметры практически не изучены. При этом, как показали предварительные исследования, основными технологическими параметрами являются: распределение температуры в факеле пламени и распределение порошковых частиц в пролетном пространстве сверхзвукового газопламенного потока. В этой связи актуальной является проблема обоснованного выбора диапазонов технологических параметров сверхзвуковой газопорошковой струи, при которых обеспечиваются наилучшие качественные характеристики наплавляемого покрытия.

Цель работы. Повышение износостойкости наплавленных покрытий, выполненных способом сверхзвуковой газопорошковой наплавки путём выбора рациональных технологических параметров на основе диагностики сверхзвуковых газопорошковых струй.

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

1. Выявить основные критерии качества и технологические параметры сверхзвуковой газопорошковой струи, наиболее сильно влияющие на износостойкость наплавляемых покрытий.

2. Провести анализ и обоснованный выбор методов исследования основных параметров сверхзвуковых газопорошковых струй.

3. Разработать комплексную методику диагностики параметров сверхзвуковой газопорошковой струи.

4. Установить зависимость структуры и износостойкости защитных покрытий от основных диагностируемых параметров сверхзвукового газопорошкового потока и определить рациональные режимы процесса наплавки.

Методы исследований. Для исследования сверхзвуковых газопорошковых струй и наплавленных ими покрытий в работе были применены стандартные и оригинальные методы: ротаметрия, оптическая пирометрия, эмиссионная оптическая спектроскопия, высокоскоростная фотосъемка, световая микроскопия, рентгеноструктурный анализ покрытий, дюрометрия и метод испытания на абразивное изнашивание при трении о закрепленные абразивные частицы (ГОСТ 17367-71), а также программные продукты LabVIEW 7.1, Origin 8.0, «Прогноз-техно».

Получение достоверных результатов достигалось использованием современного технологического оборудования, серийных и опытных приборов, компьютерной техники, стандартных методов экспериментальных и теоретических исследований, а также необходимым количеством повторений опытов.

Научная новизна работы:

1. Выявлены основные технологические параметры процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки порошковых сплавов системы Ni-Cr-B-Si фракцией 40... 100 мкм (общий расход Q, соотношение рабочих газов р и рабочее расстояние L) и критерии качества газопорошковых струй (длина факела пламени 1, температура пламени Т, плотность газопорошкового потока р), в наибольшей

степени влияющие на структурные характеристики и износостойкость наплавляемых покрытий.

2. Определены закономерности распределения интенсивности излучения молекул С2 (полос Свана) и атомов углерода С в зависимости от режимов сверхзвукового горения газовой смеси и газопорошковой наплавки по длине пламени. Установлена зависимость интенсивности излучения от расхода Q и соотношения ß рабочих газов (кислород/пропан) и рабочего расстояния от среза сопла до наплавляемого изделия. На основании этого определен рациональный диапазон значений рабочих расстояний L=20...30 мм от среза сопла и соотношений рабочих газов ß= 1,1... 1,3 для формирования качественных защитных покрытий.

3. Установлено, что покрытия, наплавленные порошковыми сплавами системы Ni-Cr-B-Si на рекомендованных диагностированных технологических режимах характеризуются мелкой карбидонасыщенной структурой на основе у-фазы, отвечающей требованиям износостойкости, в отличие от дендритной структуры покрытий, наплавленных на нерациональных режимах.

Практическая значимость работы.

1. Разработан комплексный алгоритм диагностики сверхзвуковых газопорошковых струй, позволяющий выявить рациональные технологические режимы процесса износостойкой наплавки.

2. Выявлены рациональные технологические режимы СГП-наплавки, позволяющие наносить защитные покрытия на основе порошковых сплавов системы Ni-Cr-B-Si фракцией 40... 100 мкм на быстроизнашиваемых деталях кавитационного оборудования.

3. Полученные результаты работы апробированы в процессе газопорошковой наплавки износостойких покрытий на изнашиваемые поверхности лопастей крыльчатки кавитационного насоса-измельчителя и переданы для внедрения в ООО «Энерготех» (г. Барнаул). Расчетный экономический эффект от внедрения разработанной технологии на одной крыльчатке составляет 16 тыс. рублей на один насос в год.

Вклад автора состоит в анализе научной и технической литературы по исследуемой теме, постановке задачи исследования, выборе и разработке методик исследования, обработке полученных экспериментальных данных, формулировании основных выводов по работе.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на региональных, всероссийских и международных конференциях:

3-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь». - г. Барнаул, 2006, 2009 г.; Всероссийской конференции по приоритетному направлению программы «Энергетика и энегосбережение». - г. Томск, 2006 г.; The Thirteenth International Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduetes and Young Scientists «Modern Techniques and Technologies». - Tomsk, 2007; IX Городской научно-практической конференции молодых ученых «Молодежь-Барнаулу». - г. Барнаул, 2008 г.; The Third International Forum on Strategie Technologies (IFOST-2008). - г. Новосибирск,

2008. Результаты диссертационного исследования выносились на обсуждение на объединённых научно-технических семинарах кафедр «Малый бизнес и сварочное производство» и «Автоматизированный электропривод и электротехнологии» АлтГТУ им. И.И.Ползунова.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 1 публикация в журнале из списка, рекомендованного БАК, публикации в сборниках докладов на международных и региональных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Диссертация изложена на 129 страницах, в том числе содержит 74 рисунка, 30 таблиц, список литературы из 75 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена актуальность, обозначены цель и задачи исследования, представлены методы исследований, научная новизна и практическая значимость результатов диссертационной работы.

В первой главе представлен анализ способов нанесения защитных покрытий, описаны достоинства и недостатки каждого способа, обоснована необходимость модернизации способа газопорошковой наплавки и использования в данном процессе сверхзвуковых газовых струй. Описаны принципы получения сверхзвуковых газовых струй и приведено описание некоторых серийно выпускаемых установок для сверхзвукового газопорошкового напыления. Показана необходимость применения наплавочных процессов для защиты деталей технологического оборудования, подверженных в ходе эксплуатации интенсивному износу.

Для борьбы с интенсивным изнашиванием деталей технологического оборудования в работе предлагается наносить защитное покрытие принципиально новым методом - сверхзвуковой газопорошковой наплавкой с использованием системы контроля и диагностики параметров данного процесса.

Во второй главе приведены основные методики исследования характеристик газопорошковых струй при нанесении защитных покрытий, описаны основные узлы и приборы, обеспечивающие повторяемость и стабильность процессов газотермического нанесения защитных покрытий.

Для обеспечения получения достоверных повторяющихся данных был изготовлен ротаметрический стенд контроля за расходом рабочих газов - пропана и кислорода, и транспортирующего газа для подачи порошкового сплава - сжатого воздуха. Расход кислорода и пропана измерялся при помощи соответственно ротаметров РМ4-2,5ГУЗ и РМ-0,4ГУЗ, сжатого воздуха - ротаметра РМ-0,4ГУЗ. При помощи указанных в технической документации формул был произведен перерасчет показаний ротаметров на рабочие давления и плотности газов.

Алгоритм комплексных исследований процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки №-Сг-В-81 сплавов показан на рисунке 1.

—Алгоритшсонплексныхисследованийпроцессмверхзвуковей— .......газопорошковой наплавки №-Сг-В-$1 сплавов----------

Методы исследования технологического процесса

сверхзвуковой газопорошковой наплавки

Исследование критериев качества покрытий

Дюрометр ия

Износостойкость Ршгмструяур-

ныи анализ

1

Выбор варьируемых параметров процесса

Общий рэсхед-рабочи* газов

Расстояние от среза соп-пз до поверхности

Соотношение р рабошгазое

Диагностика сверхзвуковых газопорошковых струй

Рисунок 1 - Алгоритм комплексных исследований процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки

Структурная схема экспериментальной установки регистрации спектра сверхзвуковой газопорошковой струи показаны на рисунке 2.

ФАКЕЛ—\ ЯДРО-д V СВЕРХЗВУКОВОЕ ФАКпл ^ х \С0ПЛ0(М5)

\

С V

ФОКУСИРУЮЩАЯ СИСТЕМА ЛИНЗ

ПРИЗМЕННЫИ

ПОЛИХРОМАТОР

ИСП-51

[ПЕРСОНАЛЬНЫЙ [_РЕГИСТРАТОР КОМПЬЮТЕР СПЕКТРА Рисунок 2 - Структурная схема экспериментальной установки регистрации спектра сверхзвуковой газопорошковой струи

В третьей главе представлены результаты проведенных экспериментальных исследований распределения температурных характеристик газопорошкового потока в зависимости от расстояния от края сопла и расхода и соотношения рабочих газов.

С целью уточнения некоторых технико-экономических характеристик на установке для сверхзвуковой газопорошковой наплавки с соплом, имеющим параметр - число Маха М5, были произведены эксперименты по наплавке образцов защитных покрытий на семи технологических режимах (рисунок 3).

Уже первичный анализ экспериментальных данных по определению диапазона расхода рабочих газов при дозвуковой и сверхзвуковой наплавке позволил сделать вывод о том, что оборудование для сверхзвуковой газопорошковой наплавки определяет более рациональные характеристики процесса, такие как расход рабочих газов (пропана ()11Р и кислорода ()к ), который за счет более концентрированного пятна нагрева составляет <2ПР = 0,078...0,24 мъ/ч ()к = 0,09...0,27 мъ/ч по

сравнению с дозвуковой наплавкой горелкой ГН-5П, где диапазон расхода рабочих газов составляет для многосоплового наконечника

<2ПР =0,252...0,51 мъ!ч =0,319...0,715 м3/ч, для односоплового -=0,16...0,338 мъ1ч, £>к =0,255...0,613 м3/ч. Таким образом,

модернизация газопламенного оборудования с использованием сверхзвукового сопла позволяет сократить расход рабочих газов в 2...3 раза по сравнению с оборудованием для дозвуковой наплавки. Поэтому дальнейшие исследования были выполнены для процесса сверхзвуковой газопорошковой износостойкой наплавки.

Режимы сверхзвукового горения в диапазоне изменения коэффонвента соотношения рабочих газов Р=1Д-1.3

Режим №10=1,1 Режим №2 0=1,1 Режим №3 0=1,3 Режим №4 0=1,3

Пропан Кислород

Рисунок 3 - Гистограмма режимов наплавки

Исследования спектра излучения сверхзвуковой газовой струи проводились в режимах сверхзвукового горения и наплавки при различных технологических режимах. Режимы №1-4 позволяют производить наплавку защитного покрытия порошкового сплава ПГ-СРЗ. При этом общий расход рабочих газов и коэффициент их соотношения р= 1,1... 1,3 обеспечивают получение защитного покрытия с

заданными качественными характеристиками Режимы №5-7 обеспечивают наиболее устойчивый процесс сверхзвукового горения со стабильными геометрическими размерами и четкими границами факела струи, однако из-за высокого коэффициента р=1,76...1,85 данные режимы не позволяют производить наплавку защитного покрытия, так как приводят к интенсивному окислению подложки при нагреве и несплавлению порошка с основой.

Наиболее характерные спектрограммы сверхзвукового горения показаны на рисунке 4 для режима №5 с общим расходом 0общ ¡=0,675 м3/ч и соотношением рабочих газов кислород-пропан (3=1,85.

^120-и ^ 100 Е ° 80

€ 60

о

Д

д 40 и

аз 20

• 400 ) 300

Г

\ 200

500 600 700 800 900 1000 Длина волны, нм

I 1000

Ё к

~ 500 X

О 400

500 600 700 800 900 1000

Длина волны, нм

400 500 600 700 800 900 1000 Длина волны, нм

а)

б)

В)

¡2 зоо

Я 200 03

1 10°

ё „

4 700 ^ 600 -я

£ 500 {2 400 Я 300 К 200

5 юо

500 600 700 800 900 1000

Длина волны, нм

500 600 700 800 900 1000 Длина волны, нм

500 600 700 800 900 1000 Длина волны, им

е)

Г) Д)

Рисунок 4 - Спектры сверхзвуковой струи на расстоянии от среза сопла: а) 0 мм; б) 10 мм; в) 20 мм; г) 30 мм; д) 40 мм; е) 50 мм

При анализе результатов экспериментов использовались фотографии спектров излучения молекул. Были четко идентифицированы полосы спектра ядра сверхзвукового пламени: обнаружены полосы молекул С2 (полосы Свана), соответствующие длинам волн - 438,3 нм, 473,7 нм, 516,5 нм, 563,6 нм и 619,1 нм. Из литературы известно, что появление радикала С2 наблюдается вблизи зоны максимальной температуры. Таким образом, установлено, что температура пламени максимальна в области, где наблюдается наиболее интенсивное излучение полос Свана.

Необходимо отметить, что непосредственно в факеле сверхзвуковой струи данные полосы исчезали, при этом появлялись характерные спектры ярко светящихся частиц углерода (атомов С) в диапазоне 750...950 нм, расчет содержания которых является актуальной задачей при отработке технологических режимов сверхзвуковой газопорошковой наплавки. Так как при нагреве защищаемой детали науглероживающим пламенем определенная доля углерода пламени поглощается поверхностью, позволяя снизить температуру плавления

ончайшего поверхностного слоя, содержание углерода в пламени напрямую влияет а образование жидкой металлической ванны в поверхностных слоях детали.

Полученные данные об интенсивности полос в спектре ядра сверхзвукового ламени позволяют судить об относительном изменении фазового состава верхзвуковой струи и температуры пламени в зависимости от расстояния от среза опла и соотношения рабочих газов. Относительное изменение температуры и »азового состава газовой смеси в зависимости от расстояния от среза сопла редставлено на рисунке 4. На рисунке 4, а показан спектр излучения ядра пламени а краю сопла: четко видны полосы молекул С2, имеющие интенсивность излучения О отн. ед. на длине волны 473,7 нм, 107 отн. ед. на длине волны 516,5 нм, 40 отн. д. на длине волны 563,6 нм и 18 отн. ед. на длине волны 619,1 нм. Далее, на асстоянии 10 мм от среза сопла (рисунок 4, б) наблюдается резкое увеличение нтенсивности излучения данных линий, которое составляет соответственно 500, 833, 750 и 200 отн. ед. - зона максимальной температуры. При этом в спектре верхзвуковой струи появляются полосы ярко светящихся частиц углерода нтенсивностью 223 отн. ед. Далее, на расстоянии 20 мм от среза сопла (рисунок 4, ) наблюдается уменьшение интенсивности излучения линий молекул С2, которое еперь составляет соответственно 120, 578, 150 и 55 отн. ед. При этом нтенсивность полос частиц углерода увеличивается до 302 отн. ед. С дальнейшим величением расстояния до 30, 40, 50 мм (рисунок 4, г, д, е) наблюдается счезновение полос исходных составляющих пламени (молекул С2), а нтенсивность излучения частиц углерода составляет для этих расстояний оответственно 420, 528, 657 отн. ед., что свидетельствует о незначительном величении количества частиц углерода в газовой смеси.

При производстве наплавки одним из наиболее характерных является режим Г®2, со значениями расхода пропана = 0,15 м}/ч и кислорода = 0,165 л(3/ч> оэффициентом соотношения рабочих газов р = \,\. Графики изменения спектра сверхзвуковой струи без подачи порошка приведены на рисунке 5.

На графиках отображаются пики интенсивностей - пик излучения натрия на лине волны 589,6 нм и пик изотопа кислорода 754,2 нм - 757,2 нм.

При этом при удалении от среза сопла в режиме без подачи порошка интенсивность излучения натрия составляет 4 отн.ед. на краю сопла, 35 отн.ед. на расстоянии 10 мм от среза сопла, 17 отн.ед. на расстоянии 20 мм, 23 отн.ед при расстоянии 30 мм, 33 отн.ед. на расстоянии 40 мм, 4 отн.ед. на расстоянии 50 мм. Интенсивность излучения изотопа кислорода на краю сопла составляет 15 отн.ед., на расстоянии 10 мм - 30 отн.ед., на расстоянии 20 мм - 25 отн.ед., на расстоянии 30 мм - 21 отн.ед., на расстоянии 40 мм - 19 отн.ед., на расстоянии 50 мм - 12 отн.ед. Излучение атомарного углерода на краю сопла составляет 143 отн.ед., далее интенсивность излучения на расстоянии 10 мм - 169 отн.ед., на расстоянии 20 мм -198 отн.ед., на расстоянии 30 мм - 210 отн.ед., на расстоянии 40 мм - 191 отн.ед., на расстоянии 50 мм -175 отн.ед.

¡58"

-

1

Г ...у,

.........

нХ/ * ' 1Г

V

Длина волны, нм

а)

Длина волны, нм б)

Длина волны, нм

в)

а

к »

\

Т- «У V 1Г

X:

.М J

я ¿Г

М.

Длина волны, нм Длина волны, нм Длина волны, нм

Г) Д) е)

Рисунок 5 - Спектры сверхзвуковой струи на расстоянии от среза сопла: а) 0 мм; б) 10 мм; в) 20 мм; г) 30 мм; д) 40 мм; е) 50 мм

Графики изменения спектра сверхзвуковой струи с подачей порошка приведены на рисунке 6.

Длина волны, нм

а)

Длина вол1гы, нм б)

Длина волны, нм

В)

ё-

Ё ..

5"" 8

Длина волны, нм

Длина волны, нм

Длина волны, нм

Г) Д) е)

Рисунок 6 - Спектры сверхзвуковой струи на расстоянии от среза сопла: а) 0 мм; б) 10 мм; в) 20 мм; г) 30 мм; д) 40 мм; е) 50 мм

На графиках отображаются пики интенсивностей - пик излучения натрия на длине волны 589,6 нм и пик изотопа кислорода 754,2 нм - 757,2 нм. При подаче

орошкового материала также наблюдается резкое увеличение интенсивности злучения данных полос, что говорит о том, что при подаче порошка в верхзвуковой газопорошковой струе происходит изменение условий возбуждения.

При этом при удалении от среза сопла в режиме с подачей порошка нтенсивность излучения натрия составляет 2576 отн.ед. на краю сопла, 276 отн.ед. на расстоянии 10 мм от среза сопла, 2606 отн.ед. на расстоянии 20 мм, 377 отн.ед при расстоянии 30 мм, 2251 отн.ед. на расстоянии 40 мм, 2100 отн.ед. на асстоянии 50 мм. Интенсивность излучения изотопа кислорода на краю сопла оставляет 569 отн.ед., на расстоянии 10 мм - 400 отн.ед., на расстоянии 20 мм -26 отн.ед., на расстоянии 30 мм - 317 отн.ед., на расстоянии 40 мм - 301 отн.ед., на асстоянии 50 мм - 294 отн.ед. Излучение атомарного углерода на краю сопла оставляет 113 отн.ед., далее интенсивность излучения на расстоянии 10 мм -42 отн.ед., на расстоянии 20 мм - 174 отн.ед., на расстоянии 30 мм - 174 отн.ед., на асстоянии 40 мм -162 отн.ед., на расстоянии 50 мм - 148 отн.ед.

Расстояние от среза сопла 10...30 мм является зоной пересечения линий нтенсивности молекулярного и атомарного углерода (рисунок 7, а). Таким бразом, данное расстояние представляет наибольший интерес с технологической очки зрения. Как показали технологические эксперименты, использование режима У с р = 1,76 не дает возможности реализовать процесс наплавки защитного окрытия. Это объясняется появлением окисной пленки на поверхности металла одложки, что крайне затрудняет адгезию наплавляемого материала с защищаемой оверхностью. Поэтому дальнейшие исследования спектральных характеристик азовых струй выполнялись при р < 1,5. Согласно рисунка 7, б) пики нтенсивностей излучения атомарного углерода С при режиме №2 фиксируются на асстоянии Ь=30 мм от среза сопла. Обобщая результаты спектрального анализа южно сделать вывод, что расстояние Ь=20...30 мм от среза сопла в исследуемом иапазоне режимов является наиболее технологически рациональным для создания ащитных покрытий способом СГП-наплавки.

Фотографические исследования сверхзвуковой газопорошковой струи роведены для режима сверхзвуковой газопорошковой наплавки №2 (расходом ропана дпр =о,15 мъ !ч и расходом кислорода дк = о, 165 мъ !ч), коэффициент

оотношения рабочих газов составлял /? = 1,1. Данное соотношение является аиболее технически целесообразным для процессов сверхзвуковой азопорошковой наплавки, так как позволяет получить требуемую температуру агрева при сохранении качественных характеристик самой струи.

* Интенсивность излучения полос Свана |С2) А Интенсивность излучения ат. углерода (С)

-Полиномиальная (Интенсивность излучения полос Свана (С2))

--Линейная (Интенсивность излучения ат. углерода (С))

у=-149.5х* •г®!*--. и! 26х2 +25108» -14980

\ у= 117.8х - 50.8

1 - - -

Расстояние от среза сопла, мм

® Интенсивность йог,учения зт. углерода (С) при горении * Интенсивность излучения ат. углерода (С) при наплавке

-Полиномиальная (Интенсивность излучения ат. углерода (С) при горении)

- — Полиномиальная (Интенсивность излучения ат.углеродз (С) при наплавке)

у- -0 38 39х3 • 3,0952х + 44.722Х + 1|>

Г^- „ — • — ^ ^^

^ - " у - 0324и - Ю.335х: + 5.362Х * 55.333

Расстояние отсреза сопла, мм

а) б)

Рисунок 7 - Зависимости интенсивности излучения: а) молекулярного (полос Свана С2) и атомарного углерода (С) в сверхзвуковой газовой струе от расстояния Ь от среза сопла (режим №5); б) атомарного углерода С в сверхзвуковой газовой струе от рабочего расстояния от среза сопла при горении и наплавке (режим №2)

Также следует отметить, что в результате проведения экспериментов по изучению сверхзвуковой струи в процессах газопорошковой наплавки было установлено, что по ранее определенным критериям качества режим наплавки №2 является наиболее рациональным для нанесения защитного покрытия.

На фотографиях высокоскоростной съемки (рисунок 8) было получено изображение ядра и факела пламени с подачей и без подачи порошкового сплава ПГ-СРЗ, а также времяпролетные треки наплавляемых частиц.

а) б)

Рисунок 8 - Изображение сверхзвукового газового пламени: а) без подложки и частиц порошкового сплава ПГ-СРЗ; б) в процессе наплавки на подложку с потоком частиц порошкового сплава ПГ-СРЗ; где 1 - сверхзвуковое сопло, 2 - ядро пламени, 3 - наплавленный материал защитного покрытия; 4 - подложка

На рисунке 8 наблюдается ядро пламени и поток частиц порошкового сплава ЕГ-СРЗ, формирующих наплавляемое защитное покрытие. В процессе наплавки "орошковый материал образует на поверхности детали небольшую «каплю» зщитного покрытия, формирующую при последовательном перемещении горелки /аплавленный валик.

Высокоскоростная фотосъемка позволила установить, что факел сверхзвуковой тчзопорошковой струи представляет собой турбулентный поток горящей смеси ; збочих газов с летящими частицами порошкового сплава ПГ-СРЗ (рисунок 9).

Турбулентный поток горящей газовой смеси

Треки пролета порошковых частиц

Рисунок 9 - Турбулентный сверхзвуковой газопорошковый поток

Из рисунка 9 следует, что сверхзвуковой газопорошковый поток, получаемый а сверхзвуковом сопле с числом Маха М5, также как и дозвуковой поток, имеет урбулентную природу - представляет из себя хаотическое движение газа с гспорядочным движением частиц по сложным траекториям и почти постоянной по : зчению скоростью потока. Ввиду такой природы горения все характеристики как газопламенной струи так и летящего порошка носят хаотичный случайный арактер, что усложняет поиск рациональных значений параметров наплавки.

Однако совокупность исследований позволяет сделать вывод о том, что с уществуют определенные закономерности в изменении характеристик газовой и '~ззопорошковой струи в измеряемом диапазоне изменения общего расхода рабочих 13ов и коэффициента их соотношения р. Так установлено, что максимальная гтгмпература сверхзвукового газового пламени сосредоточена на краю ядра (на ; асстоянии 10.. .20 мм в зависимости от режима). При этом в газопорошковой струе ачиная с расстояния порядка 30 мм от среза сопла наблюдается явление расфокусирования потока (разлет порошкового сплава ПГ-СРЗ), что ведет к уменьшению плотности порошкового потока р, определяющего стабильность ормирования защитных покрытий. Это в свою очередь приводит к уменьшению скорости частиц, понижению их температуры и смещению от оси газопорошкового потока.

В четвёртой главе приведены экспериментально полученные данные по микроструктуре, фазовому составу, микротвердости и износостойкости защитных покрытий, наплавленных при различных технологических режимах СГП-наплавки.

Анализ фазового состава и микроструктур защитных покрытий, наплавленных на нерациональном технологическом режиме (коэффициент (3>1,5) и рациональном (коэффициент (3 =1,1) показал следующее.

В обоих технологических вариантах наплавки порошковых самофлюсующихся сплавов системы №-Сг-В-8^ где никеля - порядка 70%, основой наплавленных покрытий является у-фаза на основе никеля. Граница сплавления покрытий с защищаемым металлом достаточно ровная, что является одним из положительных показателей технологического процесса наплавки (рисунок 10).

Однако, как видно на фотографиях, при наплавке на режимах, характеризуемых как нерациональные, покрытия имеют дендритную структуру, которая по своему строению не может обеспечить равномерную твёрдость и высокие показатели износостойкости. В отличие от первого режима, рациональные режимы позволяют стабильно формировать структуру с карбидами типа Ге3С, Сг3С2 и Сг7С3, представляющими частицы преимущественно глобулярной формы, достаточно равномерно распределённые в никелевой матрице. Как известно, такое строение металла отвечает требованиям получения наиболее высоких показателей износостойкости при большинстве видов механического изнашивания, что было подтверждено в результате дальнейших исследований.

Защитнее покрытие

Ж ^Граница Щ=^"спл&вленчя

Основной металл

Сталь 45

а) б)

Рисунок 10 - Фотографии микроструктур образцов защитных покрытий, наплавленных сплавом ПГ-СРЗ на: а) нерациональном; б) рациональном технологическом режиме

Замеры микротвердости покрытий, выполненные в 2-х сечениях, подтвердили выводы о том, что в дендритрой структуре значения микротвёрдости нестабильны и по абсолютным показателям находятся в пределах 200...400 МПа. Рациональные режимы наплавки, обеспечившие формирование карбидонасыщенной структуры имеют примерно в 2 раза более высокие показатели микротвёрдости. Но что более важно, что эти показатели существенно более стабильны по всей толщине покрытия, что является критерием более высокой износостойкости при большинстве видов механического изнашивания.

гаавноЙ металл Наплавленный сплав Сталь 45 ПГ-СРЗ

£. 300 :

I,

Основной металл Наплавленный сплав Сталь 45 ПГ-СРЗ

...............я X

1 А

..........1 1 к да А гК

¿¿у V

;

Первое сечение э }00 £

-й- Второе сечение ? -ао

г.....1 /

1 ш М.1

................8

я §

-«^Первое сечение В тор ое сечение

Толшинз.лш Толщина, дш

а) б)

Рисунок 11- Распределение значений микротвердости защитных покрытий, наплавленных на: а) нерациональном; б) рациональном технологическом режиме

Исследование износостойкости материала наплавленных покрытий доводились по методу испытания на абразивное изнашивание при трении о (крепленные абразивные частицы (ГОСТ 17367-71).

На основании экспериментальных данных были построены зависимости зносостойкости (по относительной потере массы) от основных параметров зерхзвукового газопорошкового потока: коэффициента |3 соотношения рабочих 'газов и рабочего расстояния от среза сопла при наплавке. Результаты испытаний

риведены на рисунке 12.

♦ Относительная потеря массы £ — Полиномиальная (Относительная потеря массы е)

« м о о с ь: к

-- -0,056 * 142! х= - 9.30 X» 21,7

\

\

\

ч.

Расстояние от среза сопла, мы

ф Относительная потеря массы £ —Полиномиальная (Относительная потеря массы е)

«»Ка ,х- ■ 1,307хг . 0,478х*7.12:

/

/

/

/

__

Коэффициент соотношения рзоочихгаэов

а) б)

Рисунок 12 - Результаты испытаний на износостойкость покрытий, наплавленных на различных расстояниях от среза сопла (10-50 мм)

Как видно из рисунка 12, наиболее высокую износостойкость имеют покрытия, оплавленные при расстоянии от среза сопла до поверхности порядка 20...30 мм и ~ ээффициенте (3 =1,05... 1,15.

Таким образом, результаты исследований структуры и физико-механических свойств наплавленных покрытий подтверждают правильность выбора технологических параметров СГП-наплавки на основе разработанной комплексной методики диагностики сверхзвуковых газопорошковых струй.

Результаты исследования технологии сверхзвуковой газопорошковой наплавки с использованием комплексной диагностики были апробированы на ООО

«Энерготех».

В качестве наплавляемой детали была выбрана крыльчатка насоса-измельчителя, наиболее подверженная кавитационному износу в процессе эксплуатации.

По техническому заданию необходимо было наплавить порошковый сплав ПГ-СРЗ на торцевые и радиальные поверхности лопастей крыльчатки. На рисунке 13 представлены фотографии крыльчатки насоса до и в процессе нанесения защитного покрытия методом СГП-наплавки.

Наплавка всех плоскостей крыльчатки выполнялась в нижнем положении.

Согласно проведенным исследованиям увеличение износостойкости наплавленных покрытий составит 8... 10 раз по сравнению со сталью 45.

Межремонтный период кавитационных насосов с незащищенными поверхностями крыльчатки составляет 6 месяцев. Стоимость замены крыльчатки на одном насосе составляет 8 тыс. рублей. Расчетный экономический эффект от внедрения разработанной технологии на одной крыльчатке составляет 16 тыс. рублей на один насос в год.

а) б)

Рисунок 13 - Фотографии крыльчатки насоса: а) до нанесения защитного покрытия; б) в процессе нанесения защитного покрытия

Сверхзвуковое сопло

Зона нагрева

Наплавленные лопасти крыльчатки

Результаты и выводы.

1. В результате комплексного анализа сверхзвуковых газовых струй в режимах горения и газопорошковой наплавки установлены основные технологические параметры, определяющие качество наплавляемых износостойких покрытий. К ним относятся температура газовой струи, общий расход С! и коэффициент соотношения рабочих газов (3, а также расстояние Ь от среза сопла до поверхности.

2. Методом скоростной фотосъемки установлено, что на расстоянии от 0 до 30 мм от среза сопла плотность порошкового потока р - основного параметра, определяющего стабильность формирования защитных покрытий, максимальна.

3. Разработаны научно-обоснованные технологические рекомендации для эоцесса сверхзвуковой газопорошковой износостойкой наплавки: наплавляемый атериал - порошковый сплав системы Ni-Cr-B-Si марки ПГ-СРЗ, диапазон тлений рабочих газов - пропан: 1,0...3,0 атм, кислород: 4,5...5,0 атм; расход 1бочих газов - пропан: 1,5...5,0 л/мин, кислород: 1,9...6,5 л/мин; коэффициент ютношения рабочих газов ß= 1,1... 1,3; рабочее расстояние от среза сопла до шлавляемого изделия L=20.. .30 мм.

4. Результаты исследования структуры и свойств покрытий, наплавленных на жомендованных режимах, качественно подтвердили результаты комплексной тгностики сверхзвуковых газовых струй: износостойкость таких покрытий в .. 10 раз выше показателей стали 45.

5. Выполнена апробация диагностированного технологического процесса !ерхзвуковой газопорошковой наплавки износостойких покрытий на предприятии ОО «Энерготех» (г. Барнаул) с расчётным экономическим эффектом 16 ООО /блей в год на одном изделии.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Оптическая эмиссионная спектроскопия сверхзвуковых газовых струй в эоцессе наплавки защитных покрытий. Радченко М.В., Киселев B.C., и др./ олзуновский вестник № 1-2 / АлтГТУ им. И.И.Ползунова. - Барнаул: изд-во лтГТУ, 2009. - С. 279-284. (Из списка, рекомендованного ВАК РФ).

2. Предпосылки создания автоматизированной установки газопламенного шесения защитных покрытий на поверхности труб котлов с кипящим слоем, здченко М.В., Головачев A.M., Киселев B.C./ 3-я Всероссийская научно-;хническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и олодежь". Секция «Энергетика». Подсекция «Автоматизированный электропривод электротехнологии» / АлтГТУ им. И.И.Ползунова. - Барнаул: изд-во АлтГТУ, 306.-С. 11-12.

3. Спектральная диагностика сверхзвуковых газовых струй в процессах !зопорошковой наплавки защитных покрытий. Радченко М.В., Киселев B.C., 1евцов Ю.О., Суранов А.Я. и др. / Ползуновский альманах №3/ АлтГТУ им. .И.Ползунова. - Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2008. - С. 73-75.

4. Supersonic gas jets spectral analysis in the processes of supersonic gas-powder adding. Radchenko M.V., Suranov A.Ya., Kiselev V.S., Smolin V.S./ The Third iternational Forum on Strategic Technologies (IFOST-2008). - Новосибирск: изд-во ГТУ.-С. 465-466.

5. Диагностика параметров процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки ицитных покрытий на опасных промышленных объектах. Радченко М.В., Суранов .Я., Уварова С.Г., Киселев B.C./ 6-я Всероссийская научно-техническая знференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и молодежь", екция «Энергетика». Подсекция «Автоматизированный электропривод и 1ектротехнологии» / АлтГТУ им. И.И.Ползунова. - Барнаул: :tp://edu.secna.ru/publish/gorizonty_obrazovania/2009/nll/nim2009/etoe.doc, 2009.

6. Диагностика сверхзвуковых газовых струй в процессах газопорошковой наплавки. Радченко М.В., Киселев B.C., Масалов Д.А./ 6-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и молодежь". Секция «Энергетика». Подсекция «Автоматизированный электропривод и электротехнологии» / АлтГТУ им. И.И.Ползунова. - Барнаул: http://edu.secna.ni/publish/gorizonty_obrazovania/2009/n 1 l/nim2009/etoe.doc, 2009.

7. Диагностика сверхзвуковых газовых струй в процессах газопорошковой наплавки защитных покрытий. Радченко М.В., Киселёв B.C., Шевцов Ю.О., Суранов А.Я., Смолин B.C., Уварова С.Г./ Сварка и диагностика, 2009.- № 2. - С. 31-36.

8. Kiselev V.S., Nagorny D.A., Mankovsky S.A. Carrying 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). - Томск: изд-во ТПУ. - С. 51-53.

Подписано в печать 18.02.2010. Печать - цифровая. Усл.п.л. 1,39. Тираж 100 экз. Заказ 2010-93

Отпечатано в типографии АлтГТУ, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46 тел.: (8-3852) 36-84-61 Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД №28-35 от 15.07.97 г.

? О

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Анализ газотермических методов нанесения защитных покрытий.

1.2 Принцип получения сверхзвуковой газовой струи при наплавке.

1.3 Анализ технологий и оборудования для нанесения защитных покрытий методами газопорошкового напыления и наплавки.

1.4. Физико-химические свойства сжиженных горючих газов, используемых в установках для нанесения защитных покрытий.

1.5. Материалы, используемые для создания защитных покрытий.

1.6. Основные подходы к измерению температуры сверхзвуковых газовых струй.

1.7. Постановка цели и задач исследования.

2. МЕТОДИКИ И АППАРАТУРА ДИАГНОСТИКИ СВЕРХЗВУКОВЫХ ГАЗОВЫХ СТРУЙ В ПРОЦЕССЕ НАПЛАВКИ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ.

2.1. Оборудование для измерения расхода рабочих газов при сверхзвуковой газопорошковой наплавке.

2.2. Оборудование для измерения температуры сверхзвуковой газопламенной струи.

2.3. Оборудование для регистрации спектра сверхзвуковой струи.

2.4. Оборудование для измерения скорости пролета порошковых материалов в газопорошковой струе.

2.5. Методы исследования наплавленных покрытий.

2.6. Обеспечение достоверности результатов измерения.

ВЫВОДЫ.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СВЕРХЗВУКОВЫХ ГАЗОВЫХ И ГАЗОПОРОШКОВЫХ СТРУЙ В ПРОЦЕССЕ НАПЛАВКИ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ.

ЗЛ. Исследования расхода рабочих газов при сверхзвуковой газопорошковой наплавке.

3.2. Исследования температуры нагрева сверхзвуковой газовой струи.

3.3. Исследования спектра излучения сверхзвуковой газовой струи.

3.4. Исследования спектра излучения сверхзвуковой газопорошковой струи.

3.5. Исследование распределения частиц порошкового сплава в сверхзвуковой газопорошковой струе.

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Анализ существующих видов износа деталей насосного оборудования

4.2. Практическая апробация рациональных режимов сверхзвуковой газопорошковой износостойкой наплавки на изнашиваемых поверхностях промышленного изделия.

4.3. Предварительные экспериментальные исследования структуры и свойств покрытий, наплавленных на рациональных режимах.

4.4. Практическое использование технологии сверхзвуковой газопорошковой наплавки износостойких покрытий на предприятии ООО «Энерготех» (г. Барнаул).

Высокие механические и тепловые нагрузки, воздействие различных агрессивных сред на детали, сопровождающие работу различного технологического оборудования, вызывают износ и повышенный риск возникновения аварий и техногенных катастроф в машиностроении и энергетике. Важнейший показатель надежности и долговечности оборудования - состояние поверхностного слоя его деталей, так как разрушение конструкционного материала начинается с его поверхности. Образование различных дефектов на поверхности изделия вследствие абразивного износа, воздействия активных сред и т.д. приводит к потере необходимых качественных характеристик деталей оборудования.

Проблема износа рабочих поверхностей обуславливает необходимость широкого применения различных способов упрочнения поверхностей в машиностроении при ремонте и восстановлении деталей механизмов и машин.

Использование различных методов поверхностного упрочнения деталей практически всегда экономически выгодно, поскольку позволяет повысить их ресурс, производить детали из более дешевых материалов, при этом дорогостоящие материалы, обеспечивающие требуемые эксплуатационные характеристики, наносятся на поверхности деталей в виде тонкого защитного покрытия.

Использование методов поверхностного упрочнения конструкционных материалов позволяет решить многие важнейшие технические задачи, но при этом в каждом конкретном случае требуется детальный подход при выборе способа упрочнения или нанесения защитных покрытий.

При ремонте и- упрочнении рабочих поверхностей деталей различного технологического оборудования наиболее приемлемыми, и экономически выгодными являются газотермические способы нанесения защитных покрытий, так как они наиболее универсальны и эффективны.

При правильном выборе конкретного способа газотермического нанесения покрытий защитные покрытия обладают высокими качественными показателями физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик, которые требуются от изделия в каждом конкретном случае: прочность сцепления покрытия с защищаемой поверхностью, плотность и однородность фазового и химического состава слоя, износостойкость и др.

Для эффективной защиты деталей различного технологического оборудования необходимо нанесение износостойкого защитного покрытия, надежно изолирующего и защищающего основной металл деталей, а также обладающего высокой прочностью сцепления с основой. Из всего многообразия материалов для защитных покрытий требуемыми свойствами (износостойкость, коррозионная стойкость, пластичность, жаропрочность и др.) обладают промышленно выпускаемые в России самофлюсующиеся порошковые сплавы системы №-Сг-В-81, наносимые при помощи способов газопламенного напыления и наплавки, а также некоторые композиционные материалы. При этом качество и прочность сцепления покрытия с основой, которая является одним из главных факторов, характеризующих надежность защитного покрытия, напрямую зависит от выбранного способа нанесения покрытия и от его параметров, контроль и диагностика которых - важнейшая часть отработки технологических режимов нанесения защитных покрытий.

Последние 10.12 лет для увеличения срока службы и восстановления рабочих поверхностей различных деталей и механизмов всё активнее начинают развиваться процессы нанесения защитных покрытий сверхзвуковыми газовыми струями [1, 2]. Это относится преимущественно к процессам напыления. Однако, как известно, все процессы напыления без исключения имеют один существенный недостаток, ограничивающий их промышленное использование — вероятность отслоения покрытий ввиду относительно низкой прочности сцепления с основой.

Кардинальное решение этой проблемы возможно путем исключения параметра «прочность сцепления» посредством разработки аппаратуры и технологии сверхзвуковой- газопорошковой наплавки (СГП-наплавки).

Для достижения поставленной цели в ООО «НИИ Высоких Технологий» (г. Барнаул) в рамках Федеральной программы «СТАРТ» был выполнен комплекс исследований, включающий расчеты сопел Лаваля с различными числами Маха, их изготовление и экспериментальную апробацию в процессе наплавки износостойких порошковых сплавов на изношенные поверхности деталей [3]. В результате была разработана и запатентована аппаратура для СГП-наплавки [4, 5]. Отличительной технологической чертой аппаратуры является повышение концентрации энергии газопламенного источника нагрева и уменьшение зоны термического влияния за счет увеличения скорости истечения газовых потоков на срезе сопла газопламенной установки.

Однако в настоящее время остается неизученным характер изменения состава и температуры сверхзвукового газового пламени в ходе химической реакции горения, что является важнейшим этапом отработки технологических режимов сверхзвуковой газопорошковой наплавки.

Поэтому чрезвычайно большое значение для повышения качества защитных покрытий, наносимых новым способом - сверхзвуковой газопорошковой наплавкой, имеет диагностика основных температурных и скоростных параметров сверхзвуковой газопламенной струи.

За результаты проведенных исследований были получены диплом за доклад на Всероссийской конференции по приоритетному направлению программы «Энергетика и энергосбережение» (Приложение А), и диплом за первое место в секции «Энергетика и энергосберегающие технологии» за доклад по теме «Пути решения проблемы снижения стоимости энергоресурсов для потребителей Барнаула» на IX городской научно-практической конференции молодых ученых «Молодежь-Барнаулу» (Приложение Б): Также автору данной работы присуждена именная стипендия главы города Барнаула (Приложение В), что подтверждает актуальность диссертационной работы.

Цель работы. Повышение износостойкости наплавленных покрытий, выполненных способом сверхзвуковой газопорошковой наплавки путём выбора рациональных технологических параметров на основе диагностики сверхзвуковых газопорошковых струй.

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

1. Выявить основные критерии качества и технологические параметры сверхзвуковой газопорошковой струи, наиболее сильно влияющие на износостойкость наплавляемых покрытий.

2. Провести анализ и обоснованный выбор методов исследования основных параметров сверхзвуковых газопорошковых струй.

3. Разработать комплексную методику диагностики параметров сверхзвуковой газопорошковой струи.

4. Установить зависимость структуры и износостойкости защитных покрытий от основных диагностируемых параметров сверхзвукового газопорошкового потока и определить рациональные режимы процесса наплавки.

Методы исследований. Для исследования сверхзвуковых газопорошковых струй и наплавленных ими покрытий в работе были применены стандартные и оригинальные методы. Параметры сверхзвуковой газопламенной струи исследовались методами ротаметрии, оптической пирометрии, эмиссионной оптической спектроскопии и неинтегральным методом измерения скорости пролета частиц при помощи высокоскоростной фотосъемки.

Для изучения спектрального состава сверхзвуковой газовой струи использовались призменный полихроматор ИСП-51 и микропроцессорный регистратор спектра на базе фотодиодного приемника ФУК1Л2. Для калибровки полихроматора по длинам волн использовалась ртутно-кадмиевая лампа СМРК-2. Получение и обработка данных проводились с использованием компьютерной техники с помощью специального программного обеспечения -среды проектирования виртуальных приборов LabVIEW 7.1 и программы обработки данных Origin 8.0. Этот выбор обоснован тем, что среда виртуальных приборов Lab VIEW 7.1 представляет из себя продукт с широкими возможностями управления различными электронными устройствами и микроконтроллерными приборами, а программный продукт Origin 8.0 имеет широкие возможности обработки данных, удобный русифицированный интерфейс, и позволяет производить математическую обработку данных и построение двумерных графиков зависимостей. Графики зависимостей интенсивности излучения спектров сверхзвуковой газопорошковой струи от длины волны строились в относительных единицах (отн. ед.) спектральной чувствительности фото диодного приемника ФУК1Л2 по 8-10 измерениям. Для идентификации линий спектра ядра и факела сверхзвукового пламени использовались известные фотографии спектров горения пропана, а также спектры излучения атомов и молекул, описанные в литературе.

При проведении экспериментальных исследований треков пролета порошковых частиц в процессе сверхзвуковой газопорошковой наплавки использовалась фотокамера ВИДЕОСКАН-285-2001 со светочувствительной монохроматической матрицей SONY ICX285AL и объективом Гелиус-44. Данная модель фотокамеры обеспечивает получение черно-белых фотографий высокого разрешения и длительностью экспозиции, позволяющей регистрацию участков треков пролета порошка в струе. Использовались следующие параметры высокоскоростной фотосъемки: разрешение 1388x1038 пикселей, время накопления 160 мкс. Для выделения узкой области спектра использовались световые фильтры и поглотители. Полученные экспериментальные данные обрабатывались при помощи компьютерной техники, далее производилась математическая обработка результатов измерений.

Наплавленные покрытия исследовались методами световой микроскопии, рентгеноструктурного анализа, дюрометрии и методом испытания на абразивное изнашивание при трении о закрепленные абразивные частицы (ГОСТ 17367-71). Наплавка производилась с помощью устройства для сверхзвуковой газопорошковой наплавки, разработанного и запатентованного авторским коллективом ООО «НИИ Высоких Технологий» на промышленных образцах технологического оборудования.

Все расчеты и обработка экспериментальных данных проводилась с использованием компьютерной техники. Получение достоверных результатов достигалось использованием современного технологического оборудования, серийных и опытных приборов, компьютерной техники, стандартных методов экспериментальных и теоретических исследований, а также необходимым количеством повторений опытов.

Научная новизна.

1. Выявлены основные технологические параметры процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки порошковых сплавов системы 1\П-Сг-В-81 фракцией 40. 100 мкм (общий расход С), соотношение рабочих газов (3 и рабочее расстояние Ь) и критерии качества газопорошковых струй (длина факела пламени 1, температура пламени Т, плотность газопорошкового потока р), в наибольшей степени влияющие на структурные характеристики и износостойкость наплавляемых покрытий.

2. Определены закономерности распределения интенсивности излучения молекул С2 (полос Свана) и атомов углерода С в зависимости от режимов сверхзвукового горения газовой смеси и газопорошковой наплавки по длине пламени. Установлена зависимость интенсивности излучения от расхода <3 и соотношения р рабочих газов (кислород/пропан) и рабочего расстояния от среза сопла до наплавляемого изделия. На основании этого определен рациональный диапазон значений рабочих расстояний Ь=20.30 мм от среза сопла и соотношений рабочих газов 0=1,1. 1,3 для формирования качественных защитных покрытий.

3. Установлено, что покрытия, наплавленные порошковыми сплавами системы №-Сг-В-81 на рекомендованных диагностированных технологических режимах характеризуются мелкой карбидонасыщенной структурой на основе у-фазы, отвечающей требованиям износостойкости, в отличие от дендритной структуры покрытий, наплавленных на нерациональных режимах.

Практическая значимость.

1. Разработан комплексный алгоритм диагностики сверхзвуковых газопорошковых струй, позволяющий выявить рациональные технологические режимы процесса износостойкой наплавки.

2. Выявлены рациональные технологические режимы СГП-наплавки, позволяющие наносить защитные покрытия на основе порошковых сплавов системы Ni-Cr-B-Si фракцией 40. 100 мкм на быстроизнашиваемых деталях кавитационного оборудования.

3. Полученные результаты работы апробированы в процессе газопорошковой наплавки износостойких покрытий на изнашиваемые поверхности лопастей крыльчатки кавитационного насоса-измельчителя и переданы для внедрения в ООО «Энерготех» (г. Барнаул). Расчетный экономический эффект от внедрения разработанной технологии на одной крыльчатке составляет 16 тыс. рублей на один насос в год.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на региональных, всероссийских и международных конференциях:

3-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь». - г. Барнаул, 2006, 2009 г.; Всероссийской конференции по приоритетному направлению программы «Энергетика и энегосбережение». - г. Томск, 2006 г.; The Thirteenth International Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduetes and Young Scientists «Modern Techniques and Technologies». - Tomsk, 2007; IX Городской научно-практической конференции молодых ученых «Молодежь-Барнаулу». - г. Барнаул, 2008 г.; The Third International Forum on Strategie Technologies (IFOST-2008). - г. Новосибирск, 2008.

Результаты диссертационного исследования выносились на обсуждение на объединённых научно-технических семинарах кафедр «Малый бизнес и сварочное производство» и «Автоматизированный электропривод и электротехнологии» АлтГТУ им. И.И.Ползунова.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 1 публикация в журнале из списка, рекомендованного ВАК, публикации в сборниках докладов на международных и региональных конференциях.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложений, включающих акт внедрения научно-технических и технологических работ (ПРИЛОЖЕНИЕ Г). Диссертация изложена на 129 страницах, в том числе содержит 74 рисунка, 30 таблиц, список литературы из 75 наименований.

4. Результаты исследования структуры и свойств покрытий, наплавленных на рекомендованных режимах, качественно подтвердили результаты комплексной диагностики сверхзвуковых газовых струй: износостойкость таких покрытий в 8. 10 раз выше показателей стали 45.

5. Выполнена апробация диагностированного технологического процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки износостойких покрытий на предприятии ООО «Энерготех» (г. Барнаул) с расчётным экономическим, эффектом 16 000 рублей в год на одном изделии.