автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Повышение производительности процесса плазменно-дугового нанесения покрытий на тела вращения

Чуркин Иван Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ТЕЛА

ВРАЩЕНИЯ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 ЯНВ 2012

Санкт-Петербург-2011 г.

005008321

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт - Петербургский государственный политехнический университет» (ФГБОУ «СПбГПУ»)

Ведущая организация: ОАО «НПО ЦКТИ»

Защита состоится "09" февраля 2011 г., в J8 часов на заседании диссертационного совета Д.212.229.20 при ФГБОУ «СПбГПУ» по адресу: 195251 Санкт-Петербург, ул. Политехническая 29, Гл. здание, аудитория 150.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ «СПбГПУ».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая 29, СПбГПУ, отдел аспирантуры и докторантуры.

Научный руководитель:

доктор технических наук профессор Фролов Владимир Яковлевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Башенко Всеволод Владимирович кандидат технических наук Бурьяненко Владимир Дмитриевич

Автореферат разослан"

и

2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.229.20 к.т.н., доцент <-

Курмашев А. Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Напыление представляет собой процесс нанесения покрытий на поверхность детали с помощью высокотемпературной скоростной струи, содержащей частицы порошка или капли расплавленного напыляемого материала, осаждающегося на подложке при ударном столкновении с его поверхностью. Существующие технологии напыления можно разделить на два основных вида в зависимости от источника тепловой энергии: газопламенное напыление, при котором используется теплота, выделяющаяся при сгорании смеси горючего газа с кислородом, и плазменное напыление, основанное на использовании теплоты, выделяющейся при горении электрической дуги. Технологии плазменного напыления широко применяются в промышленности с семидесятых годов ХХ-го века. Разработки последних нескольких десятилетий в области создания дуговых плазмотронов для нанесения покрытий основаны на уже существующих конструкциях, что ограничивает развитие технологий плазменного напыления с повышенной производительностью. В настоящее время производительность процесса плазменного напыления составляет примерно 3-8 кг/ч. Энергия, затрачиваемая на плавление и ускорение порошка, по отношению к энергии, подведенной к источнику питания, составляет всего 5-7%. Эта величина называется полным КПД процесса.

Для нанесения покрытий на некоторые изделия, такие как валы тяжелых машин, коленчатых валов судовых дизелей, шаровых клапанов вентилей, матриц пресс-форм, гребней шнеков и других аналогичных деталей, а так же для восстановления изношенных деталей различных машин и механизмов данной производительности недостаточно. Повысить производительность процесса можно, добавив дополнительную мощность непосредственно в струю плазмы, где происходит нагрев и расплавление порошка. С этой целью между соплом плазмотрона и деталью подключается дополнительный источник напряжения. Такой плазмотрон называется плазмотроном с вольтодобавкой на струю плазмы (ВДСП).

Различным аспектам решения задач исследования плазмы и разработки генерирующих ее дуговых плазмотронов для напыления посвящены работы: А. В. Донского, B.C. Клубникина, Н.М. Ожегова, О.П. Солоненко, В .Я. Фролова, H.A.

Кархина, и др. В то же время значительный вклад в моделирование плазменных процессов внесли М.Ф. Жуков, C.B. Дресвин, Н.К. Ши и др.

Критический анализ научно-технической литературы, посвященной способам формирования и методам исследования струи плазмы, показал недостаточную изученность характеристик плазменной струи. Переходя к экспериментальным исследованиям, следует отметить, что плазма в дуговых плазмотронах является достаточно сложным объектом исследований и диагностики. Сложность проведения измерений параметров сжатой дуги в большей мере связана с интенсивностью процессов тепло - и массообмена и высокой степенью концентрации энергии. Это приводит к значительной погрешности при обработке экспериментальных результатов.

Цель работы - разработка технологии напыления повышенной производительности с использованием дугового плазмотрона с вольтодобавкой на струю плазмы (ВДСП). Поставленная цель может быть достигнута путем решения следующих задач:

1. Анализа процессов, происходящих в струе плазмы в плазмотроне с ВДСП;

2. Разработка методики расчета параметров электрической дуги, горящей в канале и на струе плазмы плазмотрона с ВДСП;

3. Разработка методики проведения экспериментальных исследований, обеспечивающих установление режимов работы оборудования и параметров струи плазмы, позволяющей оценить достоверность результатов, полученных при математическом моделировании;

4. Разработка методики расчета нагрева частиц порошка в струе плазмы;

5. Выбор оптимальных режимов работы оборудования для нанесения покрытий на тела вращения, соответствующих максимальной производительности и обеспечивающих сохранение качества покрытия.

Методы исследований. В работе использовались теоретические положения теплофизики плазменных сред, численный метод контрольного объема для решения уравнений баланса энергии электрической дуги и уравнений движения, зондовые методы измерения температуры и скорости плазмы и металлографические методы исследования структуры полученных покрытий.

Достоверность результатов работы обеспечивалась сопоставлением результатов расчета с экспериментальными данными и изучением характеристик полученных покрытий.

При проведении экспериментальных работ использовалось следующее оборудование: плазмотрон для напыления порошковых материалов типа ПН-В1, входящий в состав установки воздушно-плазменного напыления типа УВПН-40, лабораторный стенд для исследования плазмотронов, микроскоп Zeiss Optio с программой компьютерного анализа изображений Tixomet Pro, измеритель скорости светящихся обьектов ИССО-1, цифровые и аналоговые электроизмерительные приборы.

Научная новизна работы. Основные научные результаты, полученные впервые и защищаемые автором, заключаются в следующем:

1. Разработана технология нанесения покрытий воздушно-дуговым плазмотроном с вольтодобавкой на струю плазмы.

2. Методика и алгоритм расчета струи плазмы с учетом влияния основной дуги и тока, возникающего за счет вольтодобавки.

3. Методика оценки температуры струи плазмы путем создания модернизированных измерительных зондов.

Практической значимостью работы является повышение эффективности работы плазмотрона: коэффициента полезного действия (с 5% до 9%) и производительности установки (на 30-40%) при нанесении покрытий за счет варьирования вольтодобавки, приложенной к струе плазмы. Полученные результаты в учебных материалах кафедры «Электротехники и электротехнологии» ФГБОУ СПбГПУ и в работах ассоциации «Полиплазма».

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика и алгоритм расчета параметров струи плазмы с учетом влияния тока основной дуги и тока, возникающего за счет вольтодобавки.

2. Результаты теоретических исследований параметров струи плазмы воздушно-дугового плазмотрона (распределение температуры и скорости плазмы в струе) при различных значениях вольтодобавки и режимах работы плазмотрона.

3. Методика проведения экспериментальных исследований, позволяющая установить параметры, оказывающие наибольшее влияние на нагрев частиц порошка: скорость и температуру струи плазмы.

Апробация работы. Основные результаты работы на конференциях: всероссийской конференции «Неделя науки СПбГПУ» (Россия, Санкт-Петербург, 2008-2010 гг.); Международной конференции «Пленки и покрытия» (Россия, Санкт-Петербург, 2009-2011гг.); Всероссийской конференции «Инновационная энергетика - 2010» (Россия, Новосибирск, 2010); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации - 2010.» (Россия, Новосибирск, 2010); Международной конференции «Symposium on physics of switching arc» (Чехия, Брно, 2009-2011 гг.)

Публикации по теме работы. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 5 - в изданиях, включенных в перечень ВАК.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дается краткое состояние проблем изучения и исследований в области воздушно-плазменного нанесения покрытий, сформулированы цели и задачи исследований, отражены научная новизна и практическая ценность.

Первая глава посвящена состоянию проблем изучения и исследований нанесения покрытий. Рассмотрены все основные существующие методы нанесения покрытий. Проведена оценка преимуществ и недостатков воздушно-плазменного нанесения покрытий по сравнению с другими технологиями.

Во второй главе разработана методика расчета параметров плазмы в канале плазмотрона и в струе плазмы. На основании полученных результатов разработана методика расчета нагрева частиц порошка, переносимых плазменной струей.

В третьей главе разработана методика проведения экспериментальных исследований, позволяющая установить наиболее важные параметры плазмы, влияющие на нагрев порошка: скорость и температуру струи плазмы. Произведен анализ полученных результатов.

В заключении отражены выводы и рекомендации по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1. Методика и алгоритм расчета параметров струи плазмы с учетом влияния тока основной дуги н тока, возникающего за счет вольтодобавки

При расчете параметров плазмы в плазмотроне с ВДСП необходимо учитывать электрический ток, вызванный воздействием вольтодобавки. По этой причине общая расчетная область разбивается на две части: канал плазмотрона, в котором влияние тока, вызванного воздействием вольтодобавки, пренебрежимо мало, и струя плазмы. Параметры плазмы в канале плазмотрона и в струе рассчитываются независимо, при этом результаты расчета параметров плазмы в канале плазмотрона используются в дальнейшем для задания граничных условий на струе плазмы.

Математическая модель процессов, протекающих в плазмотроне, составляется на основе закона сохранения энергии, системы электромагнитных уравнений Максвелла, и системы уравнений Навье-Стокса: уравнения движения и уравнения неразрывности. Совокупность этих уравнений с начальными и граничными условиями позволяет получить распределение температуры и скорости плазмы, а так же распределение плотности тока в плазме и градиент давления. После ряда математических преобразований система дифференциальных уравнений, необходимых для расчета параметров плазмы, выглядит следующим образом:

ф дг

(1)

ди. ди.

Р ■ I V. —- + и,. —-

1 " дг г дг

+ Р ■ Я,, ди.

РЛ и:

ди

дг г дг

_ до.

дг I дг

дг I дг

1 д ( ди,

---ги--

г дг I дг

\ д ( ди

+--ГЦ-гг дг\ дг

Ф , с иг

дг г

02 г дг

ЗТ

5Т

+ = -иы+— А.

дг

дг

эту 1 д ^ ат

дг\ дг) г <5г1 дт

(2) (3)

дг

1

ст-г дг

^ д + —

дг

1

^сг-г дг /

= 0

(4)

Принимаем допущение, что ток, возникающий за счет вольтодобавки, не влияет на параметры плазмы в канале плазмотрона. Численным методом (методом контрольного объема) решаем данную систему уравнений для определения параметров плазмы. В результате решения этой задачи получаем распределение параметров плазмы внутри плазмотрона и на срезе сопла. Далее, приведенная выше, система уравнений решается для струи плазмы (рис. 1.).

Радиальная граница

-МП

^Деталь

плазмотрона Ш&шштМШ?' _ _ д ШШШ&ШШьжЯэхсжхЯ

Рис. 1. Границы расчетной области для вычисления параметров струи

Граничные условия для данного случая задаются следующим образом:

Участок а-Ь: Граничные условия для скорости и температуры первого рода, их значения получены при расчете параметров плазмы в канале плазмотрона. Граничные условия для % - второго рода.

Участок Ь-с: Скорость плазмы равна нулю, температура Т = 300 К. Граничные условия для х - второго рода.

Участки с-с1 и (1-е: Граничные условия для скорости и температуры второго рода. Граничные условия для % ' первого рода: X = У^к'

Участок е-Г: Скорость плазмы равна нулю, температура равна температуре поверхности плазмы, измеренной экспериментально. Граничные условия для X - второго рода.

Участок Г-а: Радиальная составляющая скорости плазмы равна нулю из условий осевой симметрии, граничные условия для температуры и осевой составляющей скорости плазмы - второго рода. Функция тока х равна нулю.

2. Результаты теоретических исследований струи плазмы воздушно дугового плазмотрона при различных значениях вольтодобавки и режимах работы плазмотрона.

На рис. 2 приведены распределения температуры и скорости плазмы, полученные в результате решения систем уравнений (1-4), при 10Сн.д = 100 А, и„с„.д= 160 В, 0=1 г/с, напряжение вольтодобавки и вызванный им ток равны нулю.

Рис. 2. Расчетное распределение температуры (К) и скорости (м/с) плазменной струи

По мере увеличения напряжения вольтодобавки заметно значительное увеличение температуры и скорости во всем объеме плазменной струи. Увеличение этих параметров приведет к более интенсивному теплообмену между плазменной струей и напыляемым порошком. Это позволит увеличить количество расплавляемого в струе и наносимого на покрытие порошка при той же мощности плазменной установки (Рис.3).

а) б) в> П

Рис. 3. Расчетное распределение температуры при различных значениях тока вызванною волыодобавкой. 1„,,=0 А (а), 1вл=3 А (б), 1вд=6 А (в), 1ВЛ=10 А (г),

На основании полученных распределений температуры и скорости плазмы проведено математическое моделирование процесса нагрева и ускорения частиц порошка с учетом охлаждения и затормаживания плазменной струи, вызванного воздействием порошка, для различных вариантов материала порошка, различных режимов работы плазмотрона, при различных напряжениях вольтодобавки. На рис. 4. приведены результаты расчета скорости (а) и температуры (б) частиц порошка ПН85Ю15, а так же вызванное им изменение температуры и скорости плазмы.

Скорость -аю'

Рис. 4. Результаты расчета нагрева групп частиц без вольтодобавки при расходе порошка С=0.8 г/с; С=1.6 г/с

На рис. 5 приведены аналогичные результаты при токе в струе плазмы 1=10 А.

Скорость готмы Опор=0 8 Опор-16

Скорость порошка юо

Опор=<>-8 —

-----........,———

- -

Рис. 5. Результаты расчета нагрева групп частиц при расходе порошка С=0.8 г/с;С=1.6 г/с. Ток в струе вызванный вольтодобавкой 1=10 А

Из приведенных рисунков видно, что нагрев порошка при введении вольтодобавки происходит значительно быстрее, чем без нее, и, при прочих равных условиях, можно расплавить и нанести на подложку большее количество порошка.

3. Методика проведения экспериментальных исследований, позволяющая одновременно установить параметры, оказывающие наибольшее влияние на нагрев частиц порошка: скорость и температуру струи плазмы.

Известно, что при температурах плазмы ниже Тпл = 5000 К применение оптических методов диагностики не представляется возможным. Это связано с многокомпонентностью воздушной плазмы и высокой степенью концентрации энергии. По этой причине, для измерения температуры и скорости применялась зондовая методика.

ГПГПТ ' Дп 1 —1— 1 1 1 1 | <¡>.«1

авозд

ШЛЯ

— Осн ИП - Доп ИП -

скоростная

фотокамера

Рис.6. Принципиальная схема экспериментальной установки

Кроме того, процессы в плазменной струе характеризуются значительными градиентами основных величин, в том числе и температуры, что приводит к значительной погрешности при обработке экспериментальных результатов. Принципиальная схема экспериментальной установки изображена на рис. 6.

Измерение энтальпии плазмы производилось по разнице тепловых потоков, воспринимаемых зондом в случае отбора газа через внутренний канал зонда и без отбора газа. При этом расход газа через канал зонда измерялся ротаметром с учетом поправки на разряжение, измеряемое манометром. Разница тепловых потоков определялась с помощью дифференциальной термопары, установленной на входе и выходе зонда. Измерение локальной скорости плазменной струи осуществлялось при работе зонда в режиме датчика полного напора, на основании результатов определения энтальпии в этой же точке по ранее приведенной методике.

Скорость полета напыляемых частиц измерялась с помощью прибора ИССО-1, действие которого основано на механической развертке изображения траектории движущихся светящихся объектов (с помощью вращающегося перпендикулярно направлению движения частиц зеркала). Метод имеет определенные ограничения, связанные с тем, что объект (частица) должен иметь достаточно высокую температуру (и, тем самым, светимость), чтобы быть выявленным на фоне ярко светящейся зоны плазменной струи. Кроме того, измерение производится применительно к потоку частиц, имеющих различные скорости, и является усредненным для всего потока частиц.

т. к

юсго-

> 1 *

Ь. мм Ь мм

Рис. 7 Осевое распределение температуры и скорости в струе плазмы

1 - Расчетные значения температуры;

2 - Результаты измерения зондом с дополнительной теплоизоляцией;

3 - Результаты измерении поперечным зондом;

4- Результаты измерения зондом Грея;

На рис. 7 приведены результаты измерения температуры и скорости плазмы, полученные с использование различных зондов в сравнении с результатами расчетов. Наиболее близкие к расчетным результаты были получены при использовании специально разработанного зонда с дополнительной теплоизоляцией. Достаточно близкие результаты получены при использовании поперечнообте-каемого зонда. Результаты измерения скорости плазменной струи различались незначительно при использовании всех трех зондов.

т. к

юооо-

С волыдооавкои

X

т,к

юооо-

Без вольтдобавкн ,,

С вольтдобавкон

?

л

bC'i ВОПЫДОбЯВКП /

5)

L, мм

Рис.8. Осевое распределение температуры струи плазмы, полученное в результате: математического моделирования (а) и зондовых измерении (б)

На рис. 8 показано отличие осевой температуры плазменной струи без воль-тодобавки и с вольтодобавкой, обеспечивающей ток в струе плазмы 1вд=10 А.

Так же была проведена экспериментальная проверка влияния вольтодобавки на производительность процесса. Нанесение покрытий осуществлялось при максимально возможном расходе напыляемого порошка. При очень большом расходе частицы слишком сильно охлаждают плазму и попадают на деталь, не достигнув температуры плавления.

а) б)

Рис.9. Фотография образцов, напыленных с использованием (б) и без использования вольтодобавки (в)

Установлено, что нагрев порошкового материала ПН85Ю15 диаметром d = 50 мкм в струе плазмотрона мощностью 16 кВт при токе дуги 150 А идет недостаточно эффективно при расходах порошка более Gnop = 0.8 г/с: максимальная толщина нанесенного покрытия составила 0.8 мм. (рис 9.а.). С введением вольтодобавки обеспечивающей ток в струе плазмы I стр = 5 А максимальная толщина покрытия нанесенного за тоже время составляет 5 мм, максимальный расход порошка при котором образуется покрытие можно увеличить до Gnop = 1 г/с (рис 9.6.)

Рис. 10. Зависимость максимально возможного расхода порошка, наносимого на покрытие при напылении, от тока вольтодобавки и мощности плазмотрона.

На рис. 10. показана зависимость максимально возможного расхода порошка, наносимого на покрытие при напылении, от тока вольтодобавки и мощности плазмотрона. Для всех полученных покрытий была проведена проверка пористости, микротвердости и содержания кислорода нанесенном покрытии. Качество полученного покрытия в данном диапазоне параметров изменялось незначительно.

Заключение

В диссертации, представляющей собой научно-квалификационную работу, разработана электротехнология воздушно-плазменного нанесения покрытий плазмотроном с ВДСП.

1. Разработана методика расчета параметров струи плазмы с ВДСП.

2. В результате математического моделирования получены пространственные распределения температуры струи плазмы, аксиальной и радиальной составляющих скорости плазмы, давления плазменного потока и другие параметры плазмы в широких диапазонах тока основной дуги (110-250 А), различных расходах плазмообразующего газа (0.5-1.5 г/с) и различных значениях тока, вызванного влиянием вольтодобавки (0-10 А)

3. Разработана методика расчета нагрева частиц порошка в струе плазмы, позволяющая учесть тепловые потери плазменной струи.

4. Определен диапазон значений (напряжение и ток) вольтодобавки, при которых происходит повышение производительности нанесения покрытий без ухудшения качества и свойств покрытий (значения пористости, микротвердости и содержание кислорода в нанесенном покрытии изменились в пределах 10%).

5. Разработана методика проведения экспериментальных исследований, позволяющая измерять наиболее важные параметры струи плазмы распределения температуры и аксиальной составляющей скорости струи плазмы.

6. Разработана методика, позволяющая повысить точность измерения температуры струи плазмы, при значительных градиентах температурного поля (до тысячи К на миллиметр) и относительно малых размерах струи плазмы (~15 мм), путем создания более точных измерительных зондов. Расхождение экспериментальных и расчетных результатов с учетом систематической погрешности не превышает 25%.

7. Повышена эффективность работы плазмотронов для нанесения покрытий на тела вращения за счет увеличения производительности процесса (на 30-40%) при фиксированом коэффициенте использования порошка и мощности плазмотрона. При сохранении производительности процесса вольтодобавка позволяет соответственно снизить мощность установки на 30 - 40 %.

Основные публикации по теме диссертации Публикации в изданиях рекомендованных перечнем ВАК России

1. Плазменная технология нанесения декоративных покрытий В.Я.Фролов, Б.А. Юшин, И.С.Чуркин // Металлообработка, 2009, №1(49), с. 20 -23.

2. Методика расчета плазменной струи загруженной мелкодисперсным порошком/ И.С. Чуркин, Ф.И. Шустов, С.Г. Зверев, В.Я. Фролов// Сборник трудов. Изд. СПбГПУ- 2010.- с. 135-137.

3. Моделирование факела плазмотрона для нагрева мелкодисперсных порошков/ В.Я. Фролов, В.А. Кархин, Д.В. Иванов, И.С. Чуркин// Научно-технические ведомости СПбГПУ- 2010,- №1 - с.246-255.

4. Чуркин И.С., Фролов В.Я.. Повышение производительности плаз-менно-дугового нанесения покрытий // Сборник трудов. Изд. СПбГПУ- 2011. -с.186-188.

5. Чуркин И.С. Воздушно-плазменное нанесение покрытий повышенной производительности.// Научно-технические ведомости СПбГПУ- 2011.- №3 -с.123-130.

Публикации в других изданиях:

6. Чуркин И.С. Шустов Ф.И./ Исследование факела плазмы воздушно-дугового плазмотрона для напыления с помощью водоохлаждаемого зонда// Сборник статей: XXXVI Неделя науки СПбГПУ., с. 65-66. Санкт-Петербург. Изд. СПбГПУ. 2008

7. Чуркин И.С. Шустов Ф.И., Зверев С. Г./ Методика расчета плазменной струи загруженной мелкодисперсным порошком// Сборник статей: XXXVII Неделя науки СПбГПУ, с. 65-66. Санкт-Петербург. Изд. СПбГПУ. 2009

8. Чуркин И.С., Фролов В.Я., Юшин Б.А. / Моделирование факела воздушного плазмотрона для нанесения покрытий. // Пленки и покрытия 2009: труды 9-й Международной конференции. - СПб: Изд-во СПбГПУ. - .2009.- С. 279288

9. Чуркин И.С. Фролов В .Я./ Повышение производительности плаз-менно-дугового нанесения покрытий// Сборник статей: XXXIX Неделя науки СПбГПУ. с. 65-66. Санкт-Петербург. Изд. СПбГПУ. 2010

10. Фролов В.Я., Иванов Д. В., Чуркин И.С./ Моделирование плазменных процессов в дуговых плазмотронах с вольтдобавкой на струю плазмы// Сборник статей: Инновационная энергетика. II Всероссийская конференция. С.302- 306 Новосибирск. Изд. НГТУ

11. Чуркин И.С. Фролов В.Я./ Высокопроизводительные плазменные технологии нанесения покрытий на тела вращения// Сборник статей: Наука. Технологии. Инновации. Всероссийская конференция молодых ученых, с. 178-179. Новосибирск. Изд. НГТУ.

12. Чуркин И.С., Фролов В.Я/ Повышение производительности процесса плазменное дугового нанесения покрытий,// Пленки и покрытия 2011: труды 10й Международной конференции. - СПб: Изд-во СПбГПУ. - .2011.- С. 261-268

13. Churkin I.S. Improvement of the efficiency of an air plasma spraying teh-nology //«XVIII Symposium on physics of switching arc», Brno university of technology, 2009.-p. 162-165.

14. Churkin I.S. Research and development of plasma tehnologies of spraying of coatings //«XIX Symposium on physics of switching arc» Brno university of technology, 2011,-p. 149-152.

В статьях, выполненных в соавторстве, личный вклад автора состоит в написании математических моделей, обработке и анализе экспериментальных данных, разработке методики экспериментальных исследований. В работах 2, 3 и 4 вклад автора составляет 70%, 50% и 70% соответственно. В остальных статьях вклад между авторами распределен равномерно.

Подписано в печать 27.12.2011. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 8560Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

61 12-5/1570

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФБГОУ «СПбГПУ»)

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ТЕЛА ВРАЩЕНИЯ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Чуркин Иван Сергеевич

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

Научный руководитель: д.т.н., проф. В.Я. Фролов

Санкт - Петербург

2012

Оглавление

Введение....................................................................................5

1 .Анализ исследований в области создания плазмотронов для нанесения покрытий повышенной производительности.

1.1 Состояние исследований в области нанесения покрытий............10

1.2. Существующие способы плазменного нанесения покрытий.

1.2.1. Газопламенные методы нанесения покрытий...............14

1.2.2. Технология холодного газодинамического напыления.... 18 1.2.3 Детонационные методы нанесения покрытий...............19

1.2.4. Электродуговые методы нанесения покрытий..............21

1.2.5. Плазменные методы нанесения покрытий...................23

1.3. Выводы........................................................................26

2. Сравнительный анализ процессов в струе плазмы с вольтодобавкой.

2.1. Цели и задачи сравнительного анализа.............................29

2.2. Методики расчета температуры и скорости в струе плазмы

с вольтодобавкой.........................................................30

2.2.1. Двумерное уравнение баланса энергии (УБЭ)...............31

2.2.2. Электромагнитная задача для дугового плазмотрона для напыления (ЭмЗ)...........................................................32

2.2.3. Уравнение движения (УД).........................................34

2.2.4. Уравнение неразрывности (УН)..................................35

2.3. Граничные условия для дуги в канале плазмотрона и во внешней области....................................................................................36

2.3.1 Граничные условия для решения УБЭ.............................37

2.3.2. Граничные условия для решения ЭмЗ............................38

2.3.3. Граничные условия для УД и УН..................................38

2.4. Метод контрольного объема (МКО)

2.4.1. Основные положения МКО..........................................39

2.4.2. Неравномерная расчетная сетка....................................42

2.5. Дискретные аналоги (ДА) для математического моделирования

2.5.1. ДА для УБЭ....................................................................................43

2.5.2. ДА для ЭмЗ.....................................................................................46

2.5.3. ДА для УД.......................................................................................48

2.5.4. ДА для УН......................................................................................51

2.6. Уравнения поправки давления и скорости........................................53

2.7. Порядок расчета...................................................................................56

2.8. Результаты теоретических исследований струи плазмы воздушно дугового плазмотрона при различных значениях вольтодобавки и режимах работы плазмотрона.................................................57

2.9. Вычисление интегральных параметров плазмы....................62

2.10. Расчет нагрева частиц порошка струи плазмы с вольтодобавкой, загруженной различными материалами....................................64

2.10.1. Влияние частиц на параметры и свойства плазменной струи, обратное влияние плазмы на частицы......................................65

2.10.2. Нагрев одиночной частицы в плазменной струе...............68

2.10.3. Модель слоя частиц, «возникающих» в плазме.................69

2.10.4. Весовая загрузка плазменной струи и концентрация частиц..............................................................................72

2.10.5. Расчет скорости плазменной струи, загруженной большим количеством мелких твердых частиц.........................................73

2.10.6. Расчет температуры плазменной струи, загруженной большим количеством мелких твердых частиц.........................................74

2.11. Выводы......................................................................76

3. Методика проведения экспериментальных исследований

3.1. Методика исследований энергетических характеристик плазмотрона.............................................................................77

3.2. Результаты измерения энергетических свойств плазмотрона......79

3.3. Методика исследования свойств воздушной плазменной струи.. .82

3.3.1. Методики измерения температуры плазмы..................................82

3.3.2. Методики измерения скорости плазмы.......................................86

3.3.3. Результаты измерения температуры и скорости плазменной струи..........................................................................................87

3.3.4. Методика измерения скорости напыляемых частиц ...................................................................................................89

3.3.5. Результаты измерения скорости напыляемых частиц

.................................................................................................90

3.3.6. Методики измерения производительности процесса напыления........91

3.3.7. Методика исследования свойств плазменных покрытий,........93

3.3.8. Результаты исследования свойств плазменных покрытий.................94

3.4. Выводы...................................................................97

Заключение..................................................................................98

Список литературы.......................................................................100

Введение.

Актуальность работы. Напыление представляет собой процесс нанесения покрытий на поверхность детали с помощью высокотемпературной скоростной струи, содержащей частицы порошка или капли расплавленного напыляемого материала, осаждающегося на подложке при ударном столкновении с его поверхностью. Существующие технологии напыления можно разделить на два основных вида в зависимости от источника тепловой энергии: газопламенное напыление, при котором используется теплота, выделяющаяся при сгорании смеси горючего газа с кислородом, и плазменное напыление, основанное на использовании теплоты, выделяющейся при горении электрической дуги. Технологии плазменного напыления широко применяются в промышленности с семидесятых годов ХХ-го века. Разработки последних нескольких десятилетий в области создания дуговых плазмотронов для нанесения покрытий основаны на уже существующих конструкциях, что ограничивает развитие технологий плазменного напыления с повышенной производительностью. В настоящее время производительность процесса плазменного напыления составляет примерно 3-8 кг/ч. Энергия, затрачиваемая на плавление и ускорение порошка, по отношению к энергии, подведенной к источнику питания, составляет всего 5-7%. Эта величина называется полным КПД процесса.

Для нанесения покрытий на некоторые изделия, такие как валы тяжелых машин, коленчатых валов судовых дизелей, шаровые клапаны вентилей, матрицы пресс-форм, гребни шнеков и других аналогичных деталей, а так же для восстановления изношенных деталей различных машин и механизмов данной производительности недостаточно. Повысить производительность процесса можно, добавив дополнительную мощность непосредственно в струю плазмы, где происходит нагрев и расплавление

порошка. С этой целью между соплом плазмотрона и деталью подключается дополнительный источник напряжения. Такой плазмотрон называется плазмотроном с вольтодобавкой на струю плазмы (ВДСП).

Различным аспектам решения задач исследования плазмы и разработки генерирующих ее дуговых плазмотронов для напыления посвящены работы: А. В. Донского, B.C. Клубникина, Н.М. Ожегова, О.П. Солоненко, В.Я. Фролова, H.A. Кархина, и др. В то же время значительный вклад в моделирование плазменных процессов внесли М.Ф. Жуков, C.B. Дресвин, Н.К. Ши и др.

Критический анализ научно-технической литературы, посвященной способам формирования и методам исследования струи плазмы, показал недостаточную изученность характеристик плазменной струи. Переходя к экспериментальным исследованиям, следует отметить, что плазма в дуговых плазмотронах является достаточно сложным объектом исследований и диагностики. Сложность проведения измерений параметров сжатой дуги в большей мере связана с интенсивностью процессов тепло - и массообмена и высокой степенью концентрации энергии. Это приводит к значительной погрешности при обработке экспериментальных результатов.

Цель работы - разработка технологии напыления повышенной производительности с использованием дугового плазмотрона с вольтодобавкой на струю плазмы (ВДСП). Поставленная цель может быть достигнута путем решения следующих задач:

1. Анализ процессов, происходящих в струе плазмы в плазмотроне с ВДСП;

2. Разработка методики расчета параметров электрической дуги, горящей в канале и на струе плазмы плазмотрона с ВДСП;

3. Разработка методики проведения экспериментальных исследований, обеспечивающих установление режимов работы оборудования и

параметров струи плазмы, позволяющей оценить достоверность результатов, полученных при математическом моделировании;

4. Разработка методики расчета нагрева частиц порошка в струе плазмы;

5. Выбор оптимальных режимов работы оборудования для нанесения покрытий на тела вращения, соответствующих максимальной производительности и обеспечивающих сохранение качества покрытия.

Методы исследований. В работе использовались теоретические положения теплофизики плазменных сред, численный метод контрольного объема для решения уравнений баланса энергии электрической дуги и уравнений движения, зондовые методы измерения температуры и скорости плазмы и металлографические методы исследования структуры полученных покрытий.

Достоверность результатов работы обеспечивалась сопоставлением результатов расчета с экспериментальными данными и изучением характеристик полученных покрытий.

При проведении экспериментальных работ использовалось следующее оборудование: плазмотрон для напыления порошковых материалов типа ПН-В1, входящий в состав установки воздушно-плазменного напыления типа УВПН-40, лабораторный стенд для исследования плазмотронов, микроскоп Zeiss Optio с программой компьютерного анализа изображений Tixomet Pro, измеритель скорости светящихся объектов ИССО-1, цифровые и аналоговые электроизмерительные приборы.

Научная новизна работы. Основные научные результаты, полученные впервые и защищаемые автором, заключаются в следующем:

1. Разработана технология нанесения покрытий воздушно-дуговым плазмотроном с вольтодобавкой на струю плазмы.

2. Методика и алгоритм расчета струи плазмы с учетом влияния основной дуги и тока, возникающего за счет вольтодобавки.

3. Методика оценки температуры струи плазмы путем создания модернизированных измерительных зондов.

Практической значимостью работы является повышение эффективности работы плазмотрона: коэффициента полезного действия (с 5% до 9%) и производительности установки (на 30-40%) при нанесении покрытий за счет варьирования вольтодобавки, приложенной к струе плазмы. Полученные результаты применяются в учебных материалах кафедры «Электротехники и электротехнологии» ФГБОУ СПбГПУ и в 0*0 «-Дссоциаци. . полиплазма».

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика и алгоритм расчета параметров струи плазмы с учетом влияния тока основной дуги и тока, возникающего за счет вольтодобавки.

2. Результаты теоретических исследований параметров струи плазмы воздушно-дугового плазмотрона (распределение температуры и скорости плазмы в струе) при различных значениях вольтодобавки и режимах работы плазмотрона.

3. Методика проведения экспериментальных исследований, позволяющая установить параметры, оказывающие наибольшее влияние на нагрев частиц порошка: скорость и температуру струи плазмы.

Апробация работы. Основные результаты работы ' на конференциях: всероссийской конференции «Неделя науки СПбГПУ» (Россия, Санкт-Петербург, 2008-2010 гг.); Международной конференции «Пленки и покрытия» (Россия, Санкт-Петербург, 2009-2011гг.); Всероссийской конференции «Инновационная энергетика - 2010» (Россия, Новосибирск, 2010); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации - 2010.» (Россия, Новосибирск, 2010);

Международной конференции «Symposium on physics of switching arc» (Чехия, Брно, 2009-2011 гг.)

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы. Полый объем диссертации 103 страницы, основного текста - 85 страниц, рисунков -45, таблиц-3.

1.Анализ исследований в области создания плазмотронов для нанесения покрытий повышенной производительности

1.1. Состояние исследований в области нанесения покрытий

Напыление представляет собой процесс нанесения покрытия на поверхность детали с помощью высокотемпературной скоростной струи, содержащей частицы порошка или капли расплавленного напыляемого материала, осаждающиеся на основном материале при ударном столкновении с его поверхностью.

Первоначально производилось напыление покрытий из расплавленного металла, с помощью струи воздуха или нагретого газа. Первая установка для напыления, созданная в 1910 г. Шоопом (Швейцария), была предназначена для нанесения на подготовленную поверхность покрытия из металла, имеющего низкую температуру плавления. Нанесение покрытия осуществлялось с помощью струи горячего сжатого воздуха [1]. Установка обладала большими габаритами и низкой производительностью.

Существующую, на сегодняшний день, технологию нанесения покрытий в зависимости от применяемого источника тепловой энергии можно разделить на два основных вида: газопламенное напыление, при котором используется теплота, выделяющаяся при сгорании смеси горючего газа с кислородом, и электрическое напыление, основанное на использовании теплоты, выделяющейся при горении электрической дуги.

Одним из специальных газопламенного напыления является напыление, при котором используется энергия взрыва (детонации) ацетиленокислородной смеси. Детонационный метод позволяет наносить покрытия из тугоплавких материалов [2].

Самой старой разновидностью электрического напыления является дуговая металлизация. Нанесение покрытий может осуществляться на

переменном и постоянном токе [3]. Данный метод обладает высокой производительностью, однако по качеству покрытия, нанесенные с помощью электродуговой металлизации, уступают покрытиям нанесенным другими методами электрического напыления. Одним из таких методов является плазменное напыление. Плазмотрон по своему смысловому значению определяется как генератор плазмы, то есть ионизированного газа, обладающего высокой температурой. В современной технике термин «плазмотрон» употребляется применительно к большой группе устройств, называемых также электродуговыми нагревателями газа. В устройствах такого типа рабочий газ подается в разрядную камеру, внутри которой горит мощная протяженная дуга; в результате теплообмена с дугой газ нагревается, ионизируется и истекает через выходное отверстие камеры (сопло) в виде плазменной струи, используемой в качестве источника нагрева. Их история начинается с 20-х годов прошлого столетия, то есть насчитывает уже более восьмидесяти лет. В 1921 г. Химес запатентовал дуговую горелку, предназначенную для синтеза химических веществ и являющуюся прообразом современных плазмотронов. В этот же период Гердиен и Лотц [5] в столбе дуги, стабилизированной водяным вихрем, получили температуру около 50 тысяч градусов. Первые плазменные горелки были созданы [6] на базе аргонодуговых и отличались от них тем, что вместо керамического защитного сопла к корпусу горелки крепилась водоохлаждаемая металлическая камера, полностью охватывающая вольфрамовый электрод и часть прилегающего к нему столба дуги; камера оканчивалась цилиндрическим отверстием (соплом), соосным с электродом и соизмеримым с диаметром столба дуги. Поступающий из камеры в сопло под давлением газ, образуя вокруг столба дуги аксиальный или вихревой поток, пространственно стабилизировал, охлаждал и сжимал столб, а также обеспечивал его тепловую и электрическую изоляцию от стенок сопла.

Однако аргон был и остается до нашего времени дефицитным и сравнительно дорогостоящим газом; кроме того, он обладает весьма низким теплосодержанием, и, как следствие низкой производительностью. В поисках более рациональных рабочих сред во ВНИИ автогенмаш и ВНИИТС в 1963—1964 гг. проведены работы по применению аргоно— водородных и азотно-водородных смесей, а во ВНИИЭСО - исследования резки металлов больших толщин в этих смесях. В сравнительно короткие сроки (1964-1966 гг.) разработаны новые модели плазмотронов, работающих на газовых смесях и предназначенной, не только для ручной, но и для механизированной резки с использованием газорезательных машин [7].

В установках, разработанных во ВНИИЭСО и НИКИМТ, были заложены новые конструктивные решения в выполнении плазмотронов и источников питания. Например, разработана формирующая система плазмотрона, обеспечивающая вихревую газовую стабилизацию, а в плазмотронах ВНИИЭСО типа Т-14 и Т-18 катодный узел выполнен в виде медной водоохлаждаемой обоймы с впаянным в него вольфрамовым стержнем-электродом, что позволило существенно повысить его стойкость при больших токовых нагрузках (700-1000 А). К установкам УГЭР и ОПР были разработаны специальные выпрямители,