автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка статистического описания макроструктуры газотермических покрытий для определения их свойств

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МАКРОСТРУКТУРА ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ И

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ СВОЙСТВ (ОБЗОР).

1.1. Исследование взаимодействия расплавленной частицы с поверхностью основы.

1.2. Формирование макроструктуры газотермических покрытий и исследование её элементов.

1.3. Методы определения пористости и плотности газотермических покрытий.

1.4. Вероятностный подход к описанию изнашивания поверхности трения.

Цель и задачи диссертационной работы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СТАТИСТИЧЕСКОГО ПОДХОДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ И ПОРИСТОСТИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ.

2.1. Математическая модель для расчета плотности и пористости газотермических покрытий.

2.2. Расчет плотности и пористости газотермических покрытий, нанесенных на гладкую подложку.

Выводы.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛОКАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ.

3.1. Применение метода непосредственного наблюдения для определения пористости и плотности газотермических покрытий.

О Рфотилтшталт/ио уопогтРпиг»ттл/и плгаттт.ипи ГГТТЛТ11ЛЛТТЛ

ХМ-ХХХЧ*' ^^/ГХ^ ХХХХЧХХ ^ХЧ^ХХ^и/ХХ^ХХЧ/ХХ ХХ^ХХУ illWJ.Il газотермических покрытий, напыленных на гладкую подложку. 56 3.3. Статистические характеристики локальной плотности газотермических покрытий, нанесенных на шероховатую подложку.

Выводы.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СТАТИСТИЧЕСКОГО ПОДХОДА ДЛЯ РАСЧЕТА ИЗНАШИВАНИЯ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ПРИ ТРЕНИИ СКОЛЬЖЕНИЯ.

4.1. Математическая модель для описания изнашивания газотермического покрытия при трении скольжения.

4.2. Экспериментальные исследования износостойких газотермических покрытий.

Выводы.

Газотермическое напыление является одним из перспективных технологий улучшения физико-механических свойств поверхности деталей машин и механизмов. В зависимости от выбранного порошкового материала рабочая поверхность деталей машин и механизмов приобретает особые эксплуатационные свойства: повышенную износостойкость, жаростойкость, коррозионную стойкость, заданные теплофизические и электрические характеристики и т.д.

В данной работе рассматриваются покрытия, полученные газопламенным и плазменным напылением порошковых материалов, поэтому термины "газотермическое напыление", "газотермическое покрытие" в дальнейшем относятся к данным технологиям, если не оговорено другое.

Газотермическое напыление имеет следующие преимущества[1-3]: —универсальность газотермического напыления: возможность нанесения покрытия из самых различных материалов; небольшая потребность в материалах для покрытий, поскольку их толщина обычно составляет 100—500 мкм; сравнительная простота оборудования для газотермического напыления, которое одновременно является высокопроизводительным; —оперативность управления технологическим процессом; —возможность нанесения покрытий на изделия сложной формы; —сохранение особенностей структуры и свойств материала основы; деформация изделий при газотермическом напылении незначительна.

Естественно, что перечисленные преимущества реализуются при правильно разработанной для конкретных условий технологии напыления и ее грамотном осуществлении.

Недостатки технологии газотермического напыления можно разделить на три вида: недостатки, присущие самому процессу газотермического напыления, приводящие иногда к ухудшению физико-механических свойств получаемого покрытия — снижению прочностных характеристик, плотности, сцепления с основой и т.д.; недостатки технического характера: газотермическое напыление (особенно плазменное) часто производится оборудованием, находящимся в постоянном усовершенствовании; вредные условия процесса газотермического напыления.

Исследования, проведенные в последнее время в России и за рубежом, показали, что влияние этих недостатков можно свести к минимуму [1-5].

Рассмотрим подробнее недостатки, присущие самому процессу газотермического напыления.

При движении к поверхности основы в высокотемпературной газовой среде частицы порошкового материала находятся в сложном агрегатном состоянии. При столкновении с поверхностью основы или ранее образовавшегося слоя частицы расплющиваются и разбрызгиваются, образуя тонкий слой, сцепленный с подложкой или с другими частицами покрытия. Таким образом, формирование газотермического покрытия происходит путем постепенного наложения отдельных, дискретно затвердевающих с высокой скоростью (104—108 К/с) частиц, которые последовательно образуют слои. Поэтому газотермическое покрытие характеризуется высокой степенью неоднородности, слоистым строением и пористостью, что обусловлено именно спецификой процесса напыления, заключающейся в быстропротекающем

3 5

10" —10" с) высокотемпературном (до температуры плавления) нагреве частиц материала и их последующем высокоскоростном соударении с поверхностью основы.

Форма затвердевших частиц и поровое пространство между ними составляют понятие макроструктуры газотермического покрытия [6].

Именно макроструктура газотермического покрытия определяет его многие физико-механические свойства. Как известно, безразмерные свойства £ порошкового тела описываются формулой Балыпина-Хюттига[7]:

5 = (1 -П)с, где 77 — пористость, которая составляет для газотермических покрытий от 0,01—0,02 до 0,4—0,6; с — эмпирическая постоянная.

Используемые линейные зависимости для безразмерных модуля Юнга и электросопротивления также показывают определяющую роль макроструктуры [8]: = 1-с/7

Из приведенных выражений также видно, что пористость (или плотность) является важнейшей количественной характеристикой макроструктуры газотермического покрытия, определяющей его физико-механические свойства.

Посредством физико-механических свойств макроструктура определяет и эксплуатационные характеристики обработанной поверхности деталей машин и механизмов (износостойкость, жаростойкость, коррозионную стойкость и т.д.)

Таким образом, исследование макроструктуры газотермических покрытий позволяет научно обосновать технологию получения поверхностей с заданными физико-механическими свойствами, а также обеспечивает прогнозирование их эксплуатационных характеристик.

Следовательно, существует актуальная для практики проблема — определение физико-механических и эксплуатационных характеристик газотермических покрытий исходя из особенностей их макроструктуры.

В этой области достаточно хорошо изучена динамика взаимодействия отдельной расплавленной частицы с подложкой. Из-за сложности описания поведения множества частиц, взаимодействующих друг с другом и с подложкой, работы в этом направлении начаты относительно недавно и требуют своего развития.

Макроструктура может быть исследована исходя из особенностей формирования газотермического покрытия, которое происходит под непрерывным действием множества случайных факторов, таких как турбулентность высокотемпературного потока газа, гранулометрический состав напыляемого порошкового материала, различная степень нагрева, распределения частиц и т.д.

Поэтому целесообразным является применение статистического подхода для описания макроструктуры газотермического покрытия.

Процесс изнашивания покрытий при трении зависит от так называемой фактической площади контакта, величина которой существенно зависит от макроструктуры покрытия. В связи с этим можно предполагать, что статистические закономерности, описывающие макроструктуру покрытия, будут проявляться и при его изнашивании.

Исходя из вышеизложенного, целью данной работы поставлено: на основе статистического подхода к описанию макроструктуры газотермического покрытия определение её количественных характеристик - плотности и пористости, установление закономерности изнашивания газотермического покрытия г с. г?<ри!: трений скольжения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: исходя из статистических закономерностей формирования макроструктуры газотермического покрытия, />щр-дв»тдть математическую модель Для определения его плотности и пористости; экспериментально определить статистические характеристики локальной плотности газотермических покрытий, нанесенных на гладкую и шероховатую подложки; сопоставить полученные результаты с расчетными данными для проверки статистической гипотезы; на основе выявленных статистических закономерностей формирования макроструктуры газотермического покрытия построить математическую модель для определения его объемного износа в условиях трения скольжения; сопоставить результаты расчета с экспериментальными данными для количественной оценки параметров модели.

Диссертация выполнена в соответствии планом НИР ИФТПС по теме 1.11.5.2 "Разработка методов и способов определения свойств конструкционных и высокопрочных материалов и новых технологий для повышения прочности, надежности и долговечности машин и конструкций при одновременном снижении материалоемкости" (К гос. рег.001900030965).

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах лаборатории ИФТПС, отдела хладостойкости ИФТПС, технологическом семинаре ИФТПС, на республиканских научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов (1990, 1994 гг. Якутск), на международной конференции "Математические методы в физике, механике и мезомеханике разрушения" (1996 г. Томск), на XIII международном симпозиуме по химии твердого тела (1996 г. Гамбург), на IX совещании Международного Института Сварки (1997 г. Сан-Франциско), на международной конференции "Сварка и родственные технологии в XXI век" (1998 г. Киев).

Публикации: основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 7 научных публикациях.

ВЫВОДЫ

В данной главе на основе теории марковских процессов построена математическая модель объемного изнашивания газотермического покрытия при трении скольжения, которая исходит из двух предположений: величина разрушенного объема с единичной площади поверхности является случайной функцией от пути трения; изменение разрушенного объема по пути трения является марковским процессом.

Кривая зависимости объемного износа от пути трения, полученная по данной модели, имеет характерные участки приработки и установившегося износа.

Параметры статистической модели оценены из экспериментальных данных массового износа плазменных и газопламенных покрытий системы №-Сг-81-В.

Показано, что расчетная кривая объемного износа с экспериментально определенными коэффициентами может удовлетворительно описывать экспериментальные данные по износу газотермического покрытия системы №-Сг-БьВ в широком интервале значений пути трения.

Определение коэффициентов £> и К из специально поставленных экспериментов на начальном участке пути трения позволит построить полную кривую износа, что может найти применение в разработке методики ускоренных испытаний на износ газотермических покрытий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.На основе статистического подхода ,.к . описаний) макроструктуры газотермического покрытия построена математическая модель для определения его плотности и пористости Получены аналитические выражения для функции условной вероятности, распределения средней плотности и пористости газотермических покрытий, напыленных на гладкую подложку.

2.Экспериментально установлено, что распределение средней плотности и пористости газотермического покрытия по его толщине существенно зависит от наличия пористости вблизи подложки. Так, при газотермическом напылении на гладкую подложку, вблизи неё практически достигается плотность сплошного материала, а по толщине покрытия происходит снижение его средней плотности.

Сопоставлением расчетных и экспериментальных данных показано, что построенная статистическая модель удовлетворительно описывает распределение средней плотности и пористости газотермического покрытия, напыленного на гладкую подложку.

3.Экспериментально установлено, что при газотермическом напылении на шероховатую подложку, когда вблизи неё наблюдается появление существенной пористости, средняя плотность покрытия практически не меняется в пределах его толщины.

Показано, что результаты расчетов по предложенной ет&тмстической модели удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными плотности газотермического покрытия, нанесенного на шероховатую подложку.

4.Экспериментальными исследованиями установлено, что существует корреляция локальной плотности слоев газотермического покрытия, которая исчезает на расстоянии порядка размера напыляемых частиц.

87

Поэтому, допущенное в статистической модели предположение о том, что изменение локальной плотности покрытия по слоям является марковским процессом, не противоречит экспериментальным данным.

5.Исходя из статистических закономерностей формирования макроструктуры газотермического покрытия, построена математическая модель для определения объемного изнашивания газотермического покрытия при трении скольжения.

Получены аналитические выражения для плотности условной вероятности и объемного износа с единицы площади поверхности трения. При этом полученная зависимость объемного износа от пути трения имеет характерные участки приработки и установившегося износа.

Проведена количественная оценка параметров построенной статистической модели с использованием экспериментальных данных по массовому износу газотермических покрытий системы №-Сг-8ьВ.

1. ЛинникВ.А., Пекшев П.Ю. Современная техника газотермического нанесения покрытий. -М.¡Машиностроение, 1985.-128с.

2. Костиков В.И., Шестерин Ю.А. Плазменные покрытия. -М.:Металлургия, 1978.-160с.

3. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. -М.¡Машиностроение, 1985.-240с.

4. Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. -М. ¡Металлургия, 1992.-432с.

5. Кудинов В.В., Пекшев П.Ю., Белащенко В.Е., Солоненко О.П., Сафиуллин В.А. Нанесение покрытий плазмой.-М.¡Наука, 1990.-408с.

6. Кудинов В.В., Калита В.И., Коптева О.Г. Исследование процесса формирования макро- и микроструктуры частиц газотермических покрытий //Физика и химия обработки материалов.-1992.-№4.-С.88-92.

7. Шмаков A.M. Формирование газотермических покрытий на порошковых материалах//Физика и химия обработки материалов. -1986.-№4.-С.51-57.

8. Cyternann R. Contiguity and properties of porous materials//Fragm., Form and Flow Fract.Media: Proc.F3 Conf.,Neve Ilan-Bristol, 1986.-C.45 8-5 72 "Порошковая металлургия. Экспресс-информация 1989.-N2.-C. 1-7.

9. Кудинов В.В. Плазменные покрытия.-М.¡Наука, 1977.-184с.

10. Ю.Перельман Р.Г. О расчете давлений при соударении капли с плоскостью

11. Изв. вузов. Машиностроение.-1968.-№7.-С.84-90.11 .Хмельник М.И. Оценка импульсных давлений, возникающих при ударе капли о твердую поверхность // Изв. АН СССР, сер. Механика и машиностроение.-1962.-№ 1 -с. 179-182.

12. Максимович Г.Г., Шатинский В.Ф., Копылов В.И. Физико-химические процессы при плазменном напылении и разрушение материалов с покрытиями-Киев. :Наукова думка, 1983 -264с.

13. Харламов Ю.А. О моделировании процесса соударения частиц с поверхностью при газотермическом напылении покрытий // Физика и химия обработки материалов.-1990.-№4.-С.84-89.

14. И.Фиалко Н.М., Прокопов В.Г., Меранова Н.О., Борисов Ю.С., Коржик В.Н., Шеренковская Г.П. Теплофизика процессов формирования газотермических покрытий. Состояние исследований // Физика и химия обработки материал ов-1993 .-№4.-С. 83-93.

15. Фиалко Н.М., Прокопов ВТ., Меранова Н.О., Борисов Ю.С., Коржик В.Н., Шеренковская Г.П. Термическое взаимодействие одиночной частицы с основой при получении газотермических покрытий // Физика и химия обработки материалов.-1994.-№1 -С.70-78.

16. Фиалко Н.М., Прокопов В.Г., Меранова Н.О., Борисов Ю.С., Коржик В.Н., Шеренковская Г.П. Температурные режимы систем частица-основа при газотермическом напылении // Физика и химия обработки материалов.-1994.-№2.-С.59-67.

17. Фиалко Н.М., Прокопов В.Г., Меранова Н.О., Борисов Ю.С., Коржик В.Н., Шеренковская Г.П. Процессы теплопереноса в системах "покрытие в целом-основа" при газотермическом напылении // Физика и химия обработки материалов.-1994.-№2 -С .68-75.

18. Белащенко В.Е., Кудинов В.В., Черняк Ю.Б. Анализ температурных полей на поверхности пластины при её нагреве нормально распределенным источником тепла // Физика и химия обработки материалов.-1984.-№2.-С. 18-22.

19. Белащенко В.Е. Расчет температурных полей на поверхности пластины при её нагреве двухфазным потоком // Физика и химия обработки материалов .-1986.-№2.-С.72-78.

20. Белащенко В.Е. Анализ нагрева изделий частицами при газотермическом напылении // Прогрессивные процессы и оборудование термического напыления и резки. -М.: АвтогенмашД 985.-С.41^47.

21. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. Часть1. -М.:Нау-ка,1976.-584с.

22. Венцель Е.С. Теория вероятностей.-М.:Наука, 1964.-576с.

23. Кудинов В.В., Пузанов A.A., Замбржицкий А.П. Оптика плазменных покрытий.-М. :Наука, 1981 -188с.

24. Солоненко О.П., Лягушкин В.П., Пекшев П.Ю., Сайфуллин В.А. Комплексное исследование процессов при формировании покрытий турбулентной плазменной струей // Сб. Генерация потоков электродуговой плазмы. -Новосибирск.: ИТФ СО АН СССР,1987.-С.359-382.

25. Пекшев П.Ю., Сайфуллин В.А. Пористость плазменно-напыленного оксида алюминия // Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук- 1988.-№18.вып.5-С.99-110.

26. Пекшев П.Ю., Губченко В.В. Структура и пористость плазменно-напыленных материалов на основе диоксида циркония // Изв. СО АН

27. СССР. Сер. техн. наук.-1988.-№18.вып.5.-С.111-119.

28. Кудинов В.В., Калита В.И., Коптева О.Г. Металлографические исследования структуры пятна напыления // Физика и химия обработки материалов.-1992.-№4.-С.93-96.

29. Калита В.И., Комлев Д.И., Астахова Г.К., Абрамычева H.A. Структура и физико-химические свойства аморфных магнитомягких плазменных покрытий // Физика и химия обработки материалов.-1995.-№6.-С.43-50.

30. Калита В.И., Комлев Д.И., Корольков Н.В., Лейтус Г.М. Формирование микроструктуры при плазменном напылении покрытия с аморфной структурой // Физика и химия обработки материалов.-1996.-№3.-С.62-70.

31. Тушинский JI.И., Плохов A.B. Исследование структуры и физико-механических свойств покрытий.—Новосибирск.:Наука, 1986.-200с.

32. Бартенев С.С., Федько Ю.П., Григоров А.И. Детонационные покрытия в машиностроении.-JI. Машиностроение, 1982.-215с.

33. Плаченов Т.Г.Доросенцев С.Д. Порометрия.-Л.:Химия, 1988.-175с.

34. Крагельский И.В. Трение и износ.-М.Машиностроение, 1968.-479с.

35. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбатов B.C. Основы расчетов на трение и износ.-М. ¡Машиностроение, 1977.-526с.

36. Чижик С.А., Трояновский A.M., Свириденок А.И. Исследование субмикрорельефа поверхностей трения методом сканирующей туннельной микроскопии // Трение и износ.-1991.-т.12. №4.-С.596-603.

37. Кордонский Х.Б., Харач Г.М., Артамоновский В.П., Непомнящий Е.Ф. Вероятностный анализ процесса изнашивания.-М.:Наука,1968.-56с.

38. Кордонский Х.Б. Приложения теории вероятностей в инженерном деле-М.:ГИФМЛ,1963.^36с.

39. Лининып O.A., Рудзит Я.А. Расчет интенсивности изнашивания партрения скольжения с применением случайных полей к описанию шероховатости // Трение и износ.-1991.-т. 12. №4.-С.581-587.

40. Цитрин А.И., Белоусов В.Я. Вероятностно-статистические методы прогнозирования изнашивания материалов потоком абразивных частиц // Трение и износ.-1986.-т.7. №4-С.701-709.

41. Белоусов В.Я., Цитрин A.M. Вероятностно-аналитический подход к вопросам изнашивания композиционных материалов при трении скольжения по монолитному абразиву и его практическое применение // Трение и износ-1983-т.4. №6.-С.1038-1045.

42. Холодилов О.В., Калмыкова Т.Ф. Вероятностный подход к построению количественных критериев оценки состояний фрикционного контакта // Трение и износ.-1990-t.ll. №5.-С.921-925.

43. Нетягов П.Д., Погонышев В.А., Самсонович E.H., Анцифров Г.Д. Исследование триботехнических характеристик металлических покрытий, нанесенных наплавкой, электродуговым и плазменным напылением // Трение и износ,—1989.—т. 10. №5.-С.909-913.

44. Кудиш И.И. Статистический расчет износа и усталостного выкрашивания подшипников качения // Трение и износ.-1990.-т.11. №5.-С.933-944.

45. Винокуров Г.Г., Болотина Н.П., Ларионов В.П. Расчет плотности газотермических покрытий // Физика и химия обработки материалов-1993-№1.-С.96-100.

46. Рытов C.B. Введение в статистическую радиофизику.-М.:Наука,1966-404с.

47. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика.-М.:Наука,1979-528с.49.3ельдович Я.Б. Избранные труды. Химическая физика и гидроди-намика.-М. :Наука, 1984.-374с.

48. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел.-М.: Наука, 1964-487с.

49. Салтыков С. А. Стереометрическая металлография.-М. Металлургия, 1970.-376с.

50. Винокуров Г.Г., Болотина Н.П. Статистические характеристики локальной плотности газотермических покрытий./Тез. докл. международной конференции "Сварка и родственные технологии в XXI век".-Киев,1998.-С.24.

51. Винокуров Г.Г., Ларионов В.П. Статистические характеристики локальной плотности газотермических покрытий // Физика и химия обработки материалов.-1999.-№2.-С.43-45.

52. Беркович И.И., Гагин В.Н., Зверева Л.И. Установка и методика оценки величины статистических характеристик фактической площади контакта на поверхности трения // Трение и износ-1980.-т. 1. №3-С.525-532.

53. N.P.Bolotina, G.G.Vinokurov, I.N.Fadeev. Statistic model for calculation of Wearability of plasma coatings./ Abs. International Conf., Mathematical Methods in Physics, Mechanics and Mesomechanics of Fracture, -Tomsk, 1996.-p.94-95.

54. N.P.Bolotina, G.G.Vinokurov, I.N.Fadeev. Statistic model for Wearability calculation of plasma coatings./ Abs.XILI th ISPS, -Hamburg, Germany, 1996, 5-PO-349.

55. Bolotina N.P., Vinokurov G.G., Larionov V.P. Statistical models for evaluation of plasma coatings wear / Document Submitted to the Commision IX International Institute of Welding. San Francisco, USA, 1997.-II Doc.IX-1860-97.

56. Бейтмен Г.,Эрдейн А. Таблицы интегральных преобразований.^ 1.-М.:Наука,1969.-344с.

57. Порошковая металлургия и напыленные покрытия /Под. ред. Митина Б.С. -М.:Металлургия, 1987.-972с.

58. Болотина Н.П., Ларионов В.П., Винокуров Г.Г. Изменение химического состава поверхности стали при лазерном легировании // Физика и химия обработки материалов.-1990.-№5 -С.88-92.

59. Аргунова Т.В., Ларионов В.П., Болотина Н.П., Винокуров Г.Г. Структурные изменения при лазерном легировании поверхности./Тез. докл.УН металлографического симпозиума ч.З. -Высокие Татры, ЧССР, 1988,-С.673-675.

60. Лебедев М.П., Винокуров Г.Г., Болотина Н.П. Изнашивание плаз-меннонапыленных покрытий самофлюсующихся сплавов // Трение и износ-1996.-t.17. №6-С.816-822.