автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Повышение износостойкости наплавленных покрытий путём выбора рациональных технологических параметров на основе диагностики сверхзвуковых газопорошковых струй

□034082Э4

На правах рукописи

Киселев Вадим Сергеевич

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

Специальность 05.03.06 -Технологии и машины сварочного производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О ДЕК 2009

Барнаул - 2009

003488294

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 24 декабря 2009 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 научной библиотеке ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

Автореферат разослан « 24 » ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,_____________

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 чрезвычайно большое распространение получили процессы 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 процессами наплавки износостойких материалов, в частности, новым эффективным процессом сверхзвуковой газопорошковой наплавки (СГП-наплавки). 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.

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 рациональном диапазоне режимов процесса.

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.

Ввиду новизны и сложности процесса газопорошковой наплавки её характеристики практически не изучены. При этом, как показали предварительные исследования, основными характеристиками являются: распределение температуры в факеле пламени, а также 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 наплавляемого покрытия.

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

3. Разработать методику диагностики параметров сверхзвуковой газопорошковой струи.

4. Выявить механизм влияния основных параметров сверхзвукового газопорошкового потока на структуру и эксплуатационные свойства наплавляемых защитных покрытий.

5. Сформулировать технологические рекомендации по СГП-наплавке.

Методы исследований. В работе использовались стандартные и оригинальные

методы экспериментальных исследований сверхзвуковых газовых струй и наплавленных ими покрытий: ротаметрия, оптическая пирометрия, эмиссионная оптическая спектроскопия, высокоскоростная фотосъемка, световая микроскопия, рентгеноструктурный анализ покрытий, дюрометрия и определение износостойкости по ГОСТ 17367-71, а также программные продукты LabVIEW 7.1, Origin 8.0, «Прогноз-техно».

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

Научная новизна работы:

1. Выявлены основные технологические параметры процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки порошковых сплавов системы Ni-Cr-B-Si фракцией 40100 мкм (общий расход Q, соотношение (3 рабочих газов 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 <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 р= 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 более мелкой карбидонасыщенной структурой на основе у-фазы, чем при дозвуковой наплавке и сверхзвуковой наплавке на нерациональных режимах, что является фактором повышения износостойкости поверхности покрытий.

Практическая значимость работы.

1. Разработана комплексная методика диагностики сверхзвуковых газопорошковых струй, позволяющая выявить рациональные технологические режимы процесса износостойкой наплавки.

2. Экспериментально установлены рациональные технологические режимы процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки.

3. Разработаны научно-обоснованные технологические рекомендации по реализации процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки защитных покрытий на быстроизнашиваемых деталях оборудования с использованием серийно выпускаемых в России материалов на основе №-Сг-В-81 сплавов с фракцией 40... 100 мкм.

4. 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 в представленной работе состоит в выполнении анализа технической литературы, выборе и разработке методик исследования, организации, выполнении экспериментов и обработке их результатов, формулировании основных положений, выводов и технологических рекомендаций.

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:

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. Материалы диссертации неоднократно обсуждались 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 7 работ, в том числе 1 публикация в журнале из списка, рекомендованного ВАК, публикации в сборниках докладов на международных и региональных конференциях.

Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Диссертация изложена на YY3 страницах, в том числе содержит •PV рисунка, $£> таблиц, список литературы из наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе представлен краткий 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. Также 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.

Проблему интенсивного изнашивания деталей технологического оборудования в работе предполагается решить применением нанесения защитного покрытия принципиально новым методом сверхзвуковой газопорошковой наплавки 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.

С целью 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.

Рисунок 1 - Алгоритм комплексных исследований процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки Структурная схема экспериментальной установки регистрации спектра сверхзвуковой газопорошковой струи показаны на рисунке 2.

,— ПРИЭМЕННЫЧ / ПОЛИРОМ/ЛОР ! ИСП-51

Рисунок 2 - Структурная схема экспериментальной установки регистрации спектра сверхзвуковой газопорошковой струи

В третьей главе представлены результаты комплексных экспериментальных сравнительных исследований влияния технологических параметров сверхзвуковой газопорошковой наплавки - расстояния Ь от среза сопла, общего расхода 0 и соотношения р рабочих газов на распределение температурных характеристик и плотность газопорошкового потока р.

Наплавка выполнялась дозвуковым и сверхзвуковым газовым пламенем на аппаратуре для дозвуковой и сверхзвуковой газопорошковой наплавки.

Анализ экспериментальных данных по определению диапазона расхода рабочих газов при дозвуковой и сверхзвуковой наплавке позволяет сделать вывод о том, что оборудование для сверхзвуковой газопорошковой наплавки имеет более рациональные характеристики, такие как расход рабочих газов (пропана д и кислорода £ ), который за счет более концентрированного пятна нагрева составляет <2пр = о,078...0,24 мъ !ч = 0,09...0,27 м3/ч по сравнению с дозвуковой наплавкой горелкой ГН-5П, где диапазон расхода рабочих газов составляет для многосоплового наконечника - 0яр = 0,252...0,51 мъ N £)« = 0,319...0,715 мЧч, Для

односоплового - =0,16...0,338 л/31ч, = 0,255...0,613 л ¡Чч-

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.

Исследования проводились для режимов, показанных на гистограмме (рисунок 3).

Режимы сверхзвукового горения в диапазоне изменения коэффициента соотношения рабочих газов £=1,1-1,3

0.195

'0Т5- 0.165 X15 ■ ■

0,1 / % и 0,1 0,13

|!1 ин

¡¡шШр ВЦ

Режим №1 {3=1,1 Режим №2 (3=1,1 Режим №3 Р=1 3 Режим №4 р=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 I их соотношения р= 1,1 -1,3 обеспечивают получение защитного покрытия с

I 9

Режимы сверхзвукового горення в диапазоне изменения соотношения раоочвх газов £=1,76-1,85

Режим №5 (3=1.76 Режим №6 (3= 1.78 Режим N§7 (3=185

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 <30бщ ¡=0,675 м3/ч и соотношением рабочих газов кислород-пропан р=1,85.

. 3000 rí oj

. 2500 £

о 2000

Е 1500

s 400 500 600 700 800 900 1000

Длина волны, нм

. 600 п

а

500 £ 400

ьА

й 300

400 500 600 700 800 900 1000 Длина волны, нм

400 500 600 700 800 900 1000 Длина волны, им

а)

б)

в)

S 300

400 500 600 700 800 900 1000

Длина волны, нм

400 500 600 700 800 900 ЮОО Длина волны, им

400 500 600 700 800 900 1000 Длина волны, нм

д)

е)

г)

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 тончайшего

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

Полученные данные об интенсивности полос в спектре ядра сверхзвукового пламени позволяют судить об относительном изменении фазового состава сверхзвуковой струи и температуры пламени в зависимости от расстояния от среза сопла и соотношения рабочих газов. Рассмотрим относительное изменение температуры и фазового состава газовой смеси (рисунок 4). На рисунке 4, а показан спектр излучения ядра пламени на краю сопла: четко видны полосы молекул С2, имеющие интенсивность излучения 20 отн. ед. на длине волны 473,7 нм, 110 отн. ед. на длине волны 516,5 нм, 40 отн. ед. на длине волны 563,6 нм и 18 отн. ед. на длине волны 619,1 нм. Далее, на расстоянии 10 мм от среза сопла (рисунок 4, б) наблюдается резкое увеличение интенсивности излучения данных линий, которое составляет соответственно 500, 2850, 750 и 200 отн. ед. - зона максимальной температуры. При этом в спектре сверхзвуковой струи появляются полосы ярко светящихся частиц углерода интенсивностью 250 отн. ед. Далее, на расстоянии 20 мм от среза сопла (рисунок 4, в) наблюдается уменьшение интенсивности излучения линий молекул С2, которое теперь составляет соответственно 120, 575, 150 и 55 отн. ед. При этом интенсивность полос частиц углерода увеличивается до 300 отн. ед. С дальнейшим увеличением расстояния до 30,40, 50 мм (рисунок 4, г, д, е) наблюдается исчезновение полос исходных составляющих пламени (молекул С2), а интенсивность излучения частиц углерода составляет для этих расстояний соответственно 420, 520, 650 отн. ед., что свидетельствует о незначительном увеличении количества частиц углерода в газовой смеси.

При производстве наплавки одним из наиболее характерных является режим №2, со значениями расхода пропана Q = 0,15 ,i/3/v и кислорода qk = 0,165 л/3/ч>

коэффициентом соотношения рабочих газов ¿0 = 1,1. Графики изменения спектра сверхзвуковой струи без подачи порошка приведены на рисунке 5.

На графиках четко отображаются пики интенсивностей - пик излучения натрия на длине 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 2 отн.ед. на краю сопла, 30 отн.ед. на расстоянии 10 мм от среза сопла, 20 отн.ед. на расстоянии 20 мм, 20 отн.ед при расстоянии 30 мм, 30 отн.ед. на расстоянии 40 мм, 2 отн.ед. на расстоянии 50 мм. Интенсивность излучения изотопа кислорода на краю сопла составляет 18 отн.ед., на расстоянии 10 мм - 25 отн.ед., на расстоянии 20 мм - 25 отн.ед., на расстоянии 30 мм - 12 отн.ед., на расстоянии 40 мм - 20 отн.ед., на расстоянии 50 мм -10 отн.ед. Излучение атомарного углерода на краю сопла составляет 142 отн.ед., далее интенсивность излучения на расстоянии 10 мм - 160 отн.ед., на расстоянии 20 мм -200 отн.ед., на расстоянии 30 мм - 210 отн.ед., на расстоянии 40 мм - 190 отн.ед., на расстоянии 50 мм - 175 отн.ед.

|

,„1г |\

\ V

Г*' 1 гН-Т** J ¡А^

Длина волны, нм

а)

Длина волны, нм б)

Длина волны, нм

в)

ё"

л

Г" -V

Дчина волны, нм

Длина волны, нм

Длина волны, им

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.

1 1

---- ...........1—

о |

н

я ю н ...........|.........

р ™ а „ Г я 1............1.....Г

Длина волны, нм

а)

Длина волны, нм б)

Длина волны, нм

В)

5™

н"» 8

Я10Я,

СО

5

О

н

X

К 0

Длина волны, нм

Длина волны, им

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

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

При этом при удалении от среза сопла в режиме без подачи порошка интенсивность излучения натрия составляет 2550 отн.ед. на краю сопла, 2250 отн.ед. на расстоянии 10 мм от среза сопла, 2550 отн.ед. на расстоянии 20 мм, 2350 отн.ед при расстоянии 30 мм, 2250 отн.ед. на расстоянии 40 мм, 2100 отн.ед. на расстоянии 50 мм. Интенсивность излучения изотопа кислорода на краю сопла составляет 550 отн.ед., на расстоянии 10 мм - 400 отн.ед., на расстоянии 20 мм -450 отн.ед., на расстоянии 30 мм - 300 отн.ед., на расстоянии 40 мм - 300 отн.ед., на расстоянии 50 мм - 300 отн.ед. Излучение атомарного углерода на краю сопла составляет 100 отн.ед., далее интенсивность излучения на расстоянии 10 мм -120 отн.ед., на расстоянии 20 мм - 150 отн.ед., на расстоянии 30 мм - 125 отн.ед., на расстоянии 40 мм -180 отн.ед., на расстоянии 50 мм -120 отн.ед.

Согласно рисунка 7 а) расстояние от среза сопла 10...30 мм является зоной пересечения линий интенсивности молекулярного и атомарного углерода. Таким образом, данное расстояние представляет наибольший интерес с технологической точки зрения. Как показали технологические эксперименты, использование режима №5 с ß = 1,76 не дает возможности реализовать процесс наплавки защитного покрытия. Это объясняется появлением окисной пленки на поверхности металла подложки, что крайне затрудняет адгезию наплавляемого материала с защищаемой поверхностью. Поэтому дальнейшие исследования спектральных характеристик газовых струй выполнялись при ß < 1,5. Согласно рисунка 7 б) пики интенсивностей излучения атомарного углерода С при режиме №2 фиксируются на расстоянии L=30 мм от среза сопла. Обобщая результаты спектрального анализа можно сделать вывод, что расстояние L=20...30 мм от среза сопла в исследуемом диапазоне режимов является наиболее технологически рациональным для создания защитных покрытий способом СГП-наплавки.

Фотографические исследования сверхзвуковой газопорошковой струи проведены для режима сверхзвуковой газопорошковой наплавки с показаниями ротаметров №2 (расходом пропана qup =о,15 м2/ч и расходом кислорода

QK = 0,165 м3 / ч X коэффициент соотношения рабочих газов составлял ß = у Данное

соотношение является наиболее технически целесообразным для процессов сверхзвуковой газопорошковой наплавки, так как позволяет получить требуемую температуру нагрева при сохранении качественных характеристик самой струи.

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 четкое изображение ядра и факела пламени с подачей и без подачи порошкового сплава ПГ-СРЗ, а также времяпролетные треки наплавляемых частиц порошкового сплава ПГ-СРЗ.

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 ! - сверхзвуковое сопло, 2 - ядро пламени, 3 - наплавленный материал защитного покрытия; 4 - подложка

На рисунке 8 наблюдается чётко выраженное ядро пламени и поток частиц 1 порошкового сплава ПГ-СРЗ, формирующих наплавляемое защитное покрытие. На ' фотографиях отчетливо виден процесс наплавки порошкового материала, который образует небольшую «каплю» защитного покрытия, формирующую при I последовательном перемещении горелки наплавленный валик

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

Рисунок 9 - Турбулентный сверхзвуковой газопорошковый поток

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

Однако совокупность исследований позволяет сделать вывод о том, что существуют определенные закономерности в изменении характеристик газовой и газопорошковой струи в измеряемом диапазоне изменения общего расхода рабочих газов и коэффициента их соотношения (3. Так установлено, что максимальная температура сверхзвукового газового пламени сосредоточена на краю ядра (на расстоянии 10-20 мм в зависимости от режима). При этом в газопорошковой струе начиная с расстояния порядка 30 мм от среза сопла наблюдается явление ' расфокусирования потока (разлет порошкового сплава ПГ-СРЗ), что ведет к I уменьшению плотности порошкового потока р, определяющего стабильность формирования защитных покрытий. Это в свою очередь приводит к уменьшению скорости частиц, понижению их температуры и смещению от оси газопорошкового потока.

В четвёртой главе представлены результаты комплексных экспериментальных сравнительных исследований влияния технологических параметров дозвуковой 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.

Анализ микроструктуры (рисунок 10) позволяет сделать вывод о том, что при 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. При этом для дозвуковой наплавки характерны неравномерно распределенные относительно крупные карбиды хрома размером 3... 10 мкм, а при сверхзвуковой газопорошковой наплавке карбиды имеют размер -2,0...3,0 мкм, расположены на 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.

шттт

I:■ Граница

. сплавтшя

^ 1..1 _ Л/ '

" ' " а) ' ^"Г1 """

Рисунок 10 - Структура покрытий наплавленных: а) дозвуковым газопорошковым потоком; б) сверхзвуковым газопорошковым потоком

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

Граница сплавления защитного покрытия и основного металла относительно ровная, что положительно сказывается на надежности сплавления покрытия с основой, что также подтверждается результатами исследования микротвердости по границе сплавления.

При исследовании микротвердости, исходя из графиков представленных на рисунке 11, 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.

" : 5>н)

* -то

им

Сии), 45 (1Г-СТ.1

I к Д Л

....................................1 ^ МлдГ V

/у ч

Ооюьнои ыетп Шант^инии мет-иы

- 600 е

500

п 400 а.

| Зои И

2? -°'> 1П0

о

Сталь 45 ---------3 и | ПГ-СРЗ

1 |3

-11.5 -II..? Д1.1 II 111 Л» 11.7 ОМ 1,1 |,.< -0.5 .0.3 -0,100.1 0,3 0,5 о,' 0;о 1,1 |„1 1.5 1.7 19

ТО.ИШКи. М« То ИЦШ.1, мм

а) б)

Рисунок 11 - Распределение значений микротвердости в наплавленном металле при газопорошковой наплавке: а) дозвуковой; б) сверхзвуковой

Фазовый рентгеноструктурный анализ подтвердил наличие карбидных составляющих в защитном покрытии, наплавленном методом СГП-наплавки.

В защитном покрытии, выполненном дозвуковой и сверхзвуковой газопорошковой наплавкой, основным материалом является твердый раствор легирующих элементов в у-№. Однако при сверхзвуковой газопорошковой наплавке, наряду с карбидами типа Ре3С, Сг3С2, Сг7С3, присутствуют также бориды БеВ, Сг2В, Сг5В3, СгВ2, что предопределяет более высокие показатели износостойкости.

При исследовании износостойкости материала наплавленных покрытий провели испытание образцов дозвуковой газопорошковой наплавки, СГП-наплавки и образца стали 45 (эталон). Испытания проводили на образцах площадью 8обр.=1 см2, при постоянной нагрузке Р = 400 грамм и при трении металла о жёстко закрепленные абразивные частицы по ГОСТ 17367-71 с целью определения зависимости износостойкости исследуемых материалов от времени износа. Результаты испытаний приведены на рисунке 12.

Как показали исследования, наплавленные покрытия обладают износостойкостью, превышающей показатели незащищённой поверхности при дозвуковой наплавке - в 3 раза, а при СГП-наплавке - в 8-10 раз.

МреМЯ. МИН

Рисунок 12 - Износостойкость покрытий о жестко закрепленные абразивные частицы: 1 - сталь 45; 2 - покрытие, наплавленное дозвуковой ГПН высотой 11=1,5...2,0 мм; 3 - покрытие, наплавленное СГП-наплавкой с высотой валика

Ь=1,5...2,0 мм

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, рабочее расстояние Ь от среза сопла до наплавляемой детали. 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 №-Сг-В-81 сплавов фракции 40...100 мкм происходит в узком интервале режимов, обеспечивающих удовлетворительное формирование наплавленных валиков с точки зрения износостойкости. Формирование валиков обеспечивается в интервале скоростей для дозвуковой наплавки V,, = 3...5 м/ч, для сверхзвуковой - V,, = 6...9 м/ч на рабочем расстоянии 20...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 V,, 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 V,, из указанных

интервалов, где пики карбидных фаз не всегда четко выявлены, что говорит о значительно меньшем размере указанных включений.

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.

Далее на основании экспериментальных данных были построены зависимости износостойкости (по относительной потере массы) от основных параметров сверхзвукового газопорошкового потока: коэффициента р соотношения рабочих газов и рабочего расстояния от среза сопла при наплавке (рисунок 13 а, б).

- Относительная потеря массы £ -Полиномиальная (Относительная потеря массы £}

£ в

а_ о -£ о о Г"

с оКо!

2 2 * £

с ь

о

Е о

у =0,00 3х5<-0л, 13*х2-С ,3|0ах< 0,7867/

10 15 20 25 30 35 10

Расстояние от среза сопла, мм

^ - Относительная потеря массы с

Полиномиальная (Относительная потеря шссы е)

■ У о.б || 0.5 ! 2-04 : о.з

у =-0,0 )7х- + 0, 184х:- ,4246*< 0 5209>8

/

/ I

✓

*

*

11 1.15 12 1;5 13 1.35

Коэффициент соотношения рабочих

а) б)

Рисунок 13 - Зависимости износостойкости от основных параметров сверхзвукового газопорошкового потока: а) коэффициента р соотношения рабочих газов; б) рабочего расстояния от среза сопла при наплавке

Далее приведены результаты внедрения технологии сверхзвуковой газопорошковой наплавки на ООО «Энерготех».

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

По техническому заданию необходимо было наплавить порошковый сплав ПГ-СРЗ на торцевые и радиальные поверхности лопастей крыльчатки. На рисунке 14 представлены фотографии крыльчатки насоса до и в процессе нанесения защитного покрытия методом СГП-наплавки.

Наплавка всех плоскостей крыльчатки выполнялась в нижнем положении.

Ожидается, что увеличение износостойкости наплавленных покрытий по сравнению со сталью 45 составит до 8-10 раз.

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.

Сверхзвуковое сопя о

Зона нагрева

Наплавленные лопасти крыльматки

а) б)

Рисунок 14 - Фотографии крыльчатки насоса: а) до нанесения защитного покрытия; б) в процессе нанесения защитного покрытия

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 О и коэффициент соотношения рабочих газов р, 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. Установлены научно-обоснованные технологические рекомендации для процесса сверхзвуковой газопорошковой износостойкой наплавки: наплавляемый материал - порошковый сплав системы №-Сг-В-81 марки ПГ-СРЗ, диапазон давлений рабочих газов - пропан: 1,0-3,0 атм, кислород: 4,5-5,0 атм; расход рабочих газов - пропан: 1,5-5,0 л/мин, кислород: 1,9-6,5 л/мин; коэффициент соотношения рабочих газов р= 1,1-1,3; рабочее расстояние от среза сопла до наплавляемого изделия Ь=20-30 мм.

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.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

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

2. Предпосылки создания автоматизированной установки газопламенного нанесения защитных покрытий на поверхности труб котлов с кипящим слоем. Радченко М.В., Головачев A.M., Киселев B.C./ 3-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: изд-во АлтГТУ, 2006.-С. 11-12.

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

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

5. Диагностика параметров процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки защитных покрытий на опасных промышленных объектах. Радченко М.В., Суранов А.Я., Уварова С.Г., Киселев B.C./ 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.rU/publish/gorizonty_obrazovania/2009/n 1 l/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.ru/publish/gorizonty_obrazovania/2009/nll/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.

Подписано в печать 23.11.2009. Печать - цифровая. Усл.п.л. 1,39. Тираж 100 экз. Заказ 2009 - 658

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.