автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка технологии напыления покрытия в углеродсодержащих плазмообразующих смесях

о ■■->

1 Р '

Санкт-Петербургский Государственный Технически* Университет

ПЕРЮН Валерий Александрович

УДК 621.3.032,2:621.793.7

Разработка технологии напыления покрытий в ^гл^ролсодержащих плазмообразующих смесях

Специальность 05.03.05. - Технология и мапины сэаро'«ого

производства

АВТОРЕФЕРАТ v '

цн ртччни на соискание ученой степени кандидата технических наук

С.-Пггербург - Ш2

Работа вполнена в Санкт-Петербургском Проектном и Научно-исследовательском инотитуте 1'ипроникель

\

Научные руководитель ~ доктор технических наук, профессор ' В.С.Нлубникин

Официальные оппоненты д.т.н., проф. Погодаеа Л.И.

к.т.н. Медведев А.Я,

I

Ведущее предприятие ЦНИИКМ "Прометей"

Защита состоится . в /Г"чаоов ,

на заседании специализированного Совета Д u6j.j8.I7 Санкт-Петероургокого государственного Технического Университета по адресу: 195251, 0.-Петербург, Политехническая ул.29, химический корпус

и диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь , специализированного Совета, доктор технических наук

В,А.Кархик

Р Г*г* г гг' п

ГСО^О-:'-. ' !-

ибщие сведения

работы. Из широко« практики использования плазменного напыления покрытий известно, что наиболее качественные металлические покрытия наносятся о использованием инертных плазмообраэуюиих газов - аргона и гелия. Однако, иоходя из теп-лофизических характеристик этих газов, для этого необходимы высокие энергетические затраты, а сам процесо напыления характеризуется низкой эффективностью и дороговизной.

3 связи о этим весьма актуальным является создания таких процессов напыления и соответствующих им устройств, применение которых позволило бы сохранить преимущества инертных газов -слабое плаэмохимическое воздействие на материал и в то же время повысить энергетическую эффективность прцеоса. И этом случае можно говорить о целесообразнооти замены аргона, как достаточно дорогого и дефицитного газа.

I! этой точки зрения перспективным явяяетоя использование таких дешевых молекулярных газов, которые позволили бы получать внсокоэнтальпийные плазменные струи с регулируемым окиояительно« восстановительным потенциалом. Утим требованиям удовлетворяв* плазмообраэующзя смесь углеводородов о углекислым газом. Важным дополнительным преимуществом такой смеси являетоя то, что использование ее позволяет реализовать процесс постоянного возобновления графитового катода, о'беспечиваювий длительный ресурс его работы.

Широкое практическое использование этого процесса сдерживается отсутствием качественных и количественных данных о структуре и составе плазменной струи, характере ее воздействия на обрабатываемые материалы и качество покрытий.

Цаль_£абогы - Разработка технологии плазменного напыления покрытий в химически активной плазмообриувщей снеси углекислого газа и углеводородов, обеспечивающей получение качественных покрытий из основных типов применяемых в технологии материалов» 3 соответствии с поставленной целью решались следующие

I

задачи:

- Разработать плазмотрон для напыления в смесях углеводород содержащих газов, использующий принцип постоянного возобновления катода;

- исследовать и обобщить технологические и энергетические параметры плазмотрона в зависимости от состава плазмообраэувдей смеси, определить при зтом структуру и состав плазменной струи;

- исследовать воздействие плазменных струй различного состава на структуру и свойства покрытий из основных материалов, используемых в технологии напыления. Разработать основные технологические рекомендации по практическому использовании полученных исходных положений.

Научная новизна - Впервые определены характеристики и закономерности формирования плазменных потоков при использовании для напыления углеводородсодержащих плжзмообразующих смесей.

~ исследованиями плазменных струй выявлены зависимости их состава, структуры и энергетических характеристик от состава исходной смеси; ;

- установлено, что изменение соотношения углеводороды - углекислый газ адекватно влияет на состав и хидачзскую активность Плазменной струи, обеспечивая при этом работу плазмотрона в режиме постоянного возобновления;

- показано, что при горении дуги в адекватных условиях, но в различных плазмообраэующих молекулярных газах, элективный КПЛ нагрева изделия минимален для воздуха СЩ), возрчстяет при введении в него метана (.17%) и достигает максимума для сме~ ои СН;4~С(>2 (231). При этом большая плотность С0£ в сравнении с воздухом снижает тепловой поток в стенки канала «иода.

Показано, что плазмообразующие смеси СН^-С02 обеспечивают регулирование в широком диапазоне плаэмохимнческого воздейотвия струи на-напыляемый материал, Комплексным анализом покрытий выявлено влияние состава струи на содержание ряда легирующих эл«ментов в материале покрытий, глубину проникновения углерода и кислорода в поверхностный слой частиц, что позволяет обоснованно выбирать режимы напыления.

Рассчитаны зоны максимальных градиентов температур при эксплуатации огнеупоров с покрытиями; установлено, что введение металлической составляющей в керамическое покрытие увеличивает их термостойкооть и снижает температурные градиенты н а~30£.

~ Определены условия (структура, состав, энергетические характеристики струи) в которых происходит плазление и транспортировка материала при напылении а углевода родеодержащих плазмообрэзуютих газах.

- Проведены исследования структуры, фазового , химического составов и механических свойств покрытий в зависимости от соотношения компонентов плазмообразуюаей смеси;

- разработан плазмотрон мощностью до ВД кЗт длч нанесении покрытий в углеэодородсодерла'дих газах, о постоянно возобнови ляюиимся графитовым катодом;

- ' определены режимы на несения различных типов металлических

3

покрытая, обеспечивающие их минимальную окисленность и высокие служебные характеристики.

- Разработана ¡технология нанесения огнеупорных покрытий большой толщины, !

Ап£ООация_£аботы. Основные результаты работы докладывались на и / Всесоюзных совещаниях "Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов" С1983г. - Москва, 1988г. - Москва); конференциях "Применение плазменных процесоов и порошковых покрытий в промышленности" (1988г. - Свердловск), "Композиционные покрытия" (198Ьг. - Дитомир), "Газотермическое напыление в промышленности ССОР и за рубежом" (ДУУ1г. -Ленинград). .

Изделия с покрытиями, разработанными на основе выполненных исследований, были представлены на ЗДНх СССР и удостоены оронзо-вой медали.

Публикации - по теме диссертации опубликовано ¿0 печатных работ, получено '{ авторских свидетельств на изобретения.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы из УО наименований и приложения. Общий объем работы составляет

178 страниц машинописного текста, вклвчающего Ьг рисунка и ¿1 таблицу.

проведен анализ состояния процессов нпн ния покрытий п химически активных плазмооор'пуваих гаячх. Резуль таты анализа указывают ла перспективность использования при плазменном напылении высокознтальпийннх плазмообразуиштх ню«:

А'з» А/Н^, воздуха, смеоей СО^ или уоздуха о углеводородами. Ути газы обеспечивают более высокие напряженность Поля дуги, теплоемкость и теплопроводность, чем традиционно используемые инертные газы.

По отношения ко многим напыляемым материалам молекулярные газы не являются инертными. Однако, следует учитывать, что защитное действие аргона при напылении в воздуашой атмосфере теряется на расстоянии уже в несколько калибров от. среза сопла.

Комплекс перечисленных качеств химически активных газов позволяет вести процесо напыления о высокой производительности и высоким качеством покрытий, кроме того, эти газы делены и недефицитны.

Предпочтение среди этих газов можно отдать смеои л ибо го из углеводородов с углекислым газом. Кроме известных технологических преимуществ, свойственных всем молекулярным газам, эта смесь позволяет реализовать процесс постоянного возобновления графитового катода (¡13К), обеспечивающий длительный ресурс его работы. Из работ М.Г.Фридлянла известно, что я таких смесях ток на катод переносится в основном за счет ионов углерода, нейтрализующихся на катоде и формирующим тем самым его эмитти-рующую поверхность, 3 определенном диапазоне режимов скорости испарения углерода с- катом из лревшюет скорости гмитуплечия его из гчзочой ¡мзы, подЛ5р«тя динамическое равновесие мелд/ этана нткслиа, можно достичь длительной ч»т.р-к-и<мнол рэм-

ты катода.

другим преимуществом смеси углеводороды - углекислый газ.

возможность регулирования окислительно-восстановительного потенциала плазменной струи.

Обзор литературных данных показал, что для разработки технологии при напылении в химически активных плазмоооразуюаих смесях углеводороды-углекислый газ неооходимо иметь информацию по структуре и характеристикам плазменной струи, зависимости этих характеристик от режима работы плазмотрона. Кроме того, слабо изучено воздействие плазменных струй различного состава на структуру и рабочие характеристики покрытий.

На основании проведенного анализа поставлена цель и сформулированы задачи исследований.

Во второй главе приведены результаты исследований плазменной струи, генерируемой плазмотроном с постоянно возобновляющимся катодом из плазмообразующей смеси СН^-СС^.

Для нанесения покрытий создан плазмотрон ПЗК номинальной мощностью ^ кЗт, ток дуги до Зои А. Стабильная работа катода в течении длительного времени, высокие значения энтальпии смеси позволили максимально упростить конструкцию плазмотрона, исключив узлы, предназначенные для защиты катода и повышения напряжения на дуге (рис.1.).

как видно из результатов термодинамического анализа, является

СР'П ГИ -?Г)

Рис.1 Принципиальная схема плазмотрона для напыления ПШ-Чи

I

Тл

Основными узлами плазмотрона являются: катододержатель с составным катодом, анод-сопло со ступенчатым каналом, заверитель плазмообразующей смеси с рядом тангенциальных отверстий, Составной катод представляет собой медную обойму с запрессованной графитовой вставкой.

Исследования плазменной струи проводились на экспериментальной установке, оборудованной системами электро-, водо- и газоснабжения с пускорегулирувдей и измерительной аппаратурой. Поскольку смесь СН^-СО^, не горюча, она предварительно готовилась в смесителе и подаваласьв плазмотрон.

Анализ состава плазменной струи вштолнз/ся на различных участках по ее длине, как вдоль оси, так и при смещении к периферии струи, отбор и закалка газовых проб осуществлялась с помощью модернизированного датчика Грея. Поскольку приемное отверстие датчика было направлено навстречу движению газа и располагалось на передней линии цилиндра, искажения состава струи, вызванного датчиком, не происходило. Отобранные пробы анализировались на хроматографе лХМ-оЖ5 с выводом результатов на потенциометр. Соотношение компонентов плазмообразующей смеси (К»СО^ / СН^) изменялось ао всем диапазоне устойчивого существования режима постоянного возобновления (К « 1*5) при обще» расходе газов 3 м"*/ч.

зыполненных исследований показали, что изменение соотношения углеводороды ~ углекислый газ вызывает адекчзтнз^ из''знание химического состава ллазменно»" стр/ч» .»-•.. :-> • '•»ъгг»'* о о.-.;;телч в смеси К»-'» л*.

• 5-- • / - от зопла з атмосфере струи с-й.^'г* ' --

'-■/'— ь'"' ->сста:£ м п"; ч лзиечадк» соотношения К до 1 •• .¡сличений гогсг'гно-ительного потенциала. т,нч

дистанции ни мм суммарное оодержание восстановителей СО и Н^ составляет 'К® при минимальноя концентрации кислорода (.рис.2).

щ

Рис,2 Распределение газоь • вдоль оси плазменной струи К=С02:01^-1

*0 4о 60 80 п-т

В результате обработки экспериментальных данных получены зависимости состава плазменной стури на воем ее протяжении от состава исходной смеси газов.

Таким образом, соотношение К является дополнительным-технологическим параметром, позволяющим проводить необходимую регулировку химичеокой активности отруи в зависимости от свойств нанооимого материала, концентрации и сродства к кислороду легирующих элементов при напылении в углеводородсодержащих плазмо-ибразувщих смесях. Часть кислорода воздуха, попадающего в струю, связиваетоя в соединения с углеродом и водородом, снижая тем самым окислительную способность струи.

Как и в случае аргоно-водородной дуги,;по поперечному сечению плазменной струи СН^-СО^ яа срезои сопла наблюдается неравномерное распределение коиюнентов струи. Содержание тяжелого СО^ выше по периферии, более легкие компоненты СО^» Н^ и др) концентрируются в центре струи (рис.3). . •

Рис.3 Распределение газов по сечению струи

К»2, дистанция 40 мм ---граница струи

№ & о 5 Ю Лг мм.

Проведен сравнительный анализ аргоновой плазменной струи , с целью сопоставления результатов исследования выполнялись также на плазмотроне ЛЗК, в дуговой промежуток которого подавался аргон. Увеличение расхода аргона в 2 раза обеспечивает двойное увеличение его концентрации (до 25%) на дистанции 30 мм, однако, концентрация кислорода при этом снижается незначительно. 3 углеводородной плазменной струе такой уровень кислорода обнаруживается на дистанции в .2-3 раза большей, Меньоая размытость углеводородной плазменной струи, а также присутствие восстановителей, создает благоприятные условия для нанесения большинства металлов и сплавов.

Знергетические характеристики плазмотрона исследовались при горении дуги в различных высокоэнтальпийных плазмооб« разующих газах. Нагреваемым плазменной струей объектом слу*ил водоохлавдаемый вращающийся калориметр. Расход газов при проведении сравнительных исследований определялся условиями стабили-

ад

зации дуги в канале сопла-анода и сведения до минимума его эрозии. Дистанция обработки, калориметра изменялась в диапазоне 30-150 мм. Термический КПД плазмотрона составляет 70-80£, эффективный КПД нагрева калориметра^ минимален для воздуха (^Щ), при добавлении углеводородов возрастает до \1%, максимальное значение достигнуто для омеои СН^-СО£ (23$). Большая, чем у воздуха плотность СО2 обеспечивает лучшую тепловую защиту канала анода и меньшее размытие струи в атмосфере. Это подтверждается неизменной величиной теплового потока в электроды плазмотрона при добавлении к углекислому газу метана, тогда как при добавлении СН^ к воздуху~наб-людается его рост на

рассмотрены технологические особенности напыления и исследованы свойства керамических покрытий, нанесенных плазмотроном ПБК. 3 качестве объекта исследований выбраны покрытия на огнеупорных изделиях, работающих в расплаве: стали - плитах • шиберных затворов сталеразливочных ковшей. Покрытия должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к поверхностям плит: металло-устойчивостью, термостойкостью, высокой плотностью, кроме того, исходя из требований последующей шлифовки рабочей поверхности плиты, покрытие должно иметь большую толщину С ~ 3 мм)«

Основой покрытия служил оксид алюминия с добавлением 5-1% других оксидов или металлов. Режимы нанесения' подбирались исходя из ранее получинных результатов и достижения наибольшего тепло-вложения в обрабатываемый материал. Для оценки.' качества покрытий, нанеоенных плазмотроном ПЗК, они подвергались комплексному исследованию, результаты которого сравнивались с данными, полученными при напылении в других плазмаобразувщих газах или с огнеупорами, изготовленными по традиционной технологии.

Сопоставление дифрактограмм показывает, что в покрытии тйид алюминия представлен двумя основными модификациями А-

У - А^О^ о преобладанием последней, что характерно для 1чзменных покрытий.

Установлено, что причиной расслоения покрытий из оксида 1 лЬминия толщиной свыше 0,8 мм является, изменяющееся по тол-ине соотношение-между - и У -фазами. '; Анализ отруктур покрытий показал, что изменение скорости"охла*иения частиц на "гдложкв позволяет увеличивать в покрытии содержание вС е. 7-8 раз. и снизить вероятность расслоений. При температуре предварительного подогрева керамическо* подложки ^ 1Э00°С возможно получения бездефектного покрытия большой толщины. оо-с то яке го только из «С -А^О^.

Другим, более технологичным методоч ликвидации р&ссяоенив з покрытии являетоя введение пластичных металлических проолоек в структуру покрытия. Злияние металлической составляющей на структуру покрытий видно из анализа отруктур изломов, полученных о помощью электронного микроскопа. Их сопоставление показывает, что жесткая столбчатая структура, пронизывающая чисто керамическое покрытие по всей толщине, исчезает при введении металлических частиц. 3 керметном покрытии проявляется слоистая структура, разделенная прослойками металла.

Результаты ртутной порометрии показывают- резкое уменьшение пористости на рабочей поверхности огнеупора с покрытием в сравнении со стандартным огнеупором (рис.Преимущественный радиус поровых каналов в. покрытиях, нанесенных плазмотроном П8К, составляет ~0,04 мкм, что более чем в 20 раз меньше, чем у керамических покрытий, нанесенных в струе Аг при одинаковом для

<Ц02

001 0,1 Н НО /<ю Гпкн

Рис, 4 Распределение пор по размерам, в прессованном огнеупоре (I), в покрытии А1;>0;з

(3) и А120з с предварительным подогревом подложки (4)

обоих способов напыления уровне общей пористости, Меньший размер поровых каналов свидетельствует о лучшем прогреве .и,> соответственно, меньшей вязкости частиц, .напыляемых в углеродсодер-жащея плазменной струе,

' Адгезионная прочность покрытий на керамической подложке

о. - ' * •

определялась путем разрыва клеевых проб. Разрушение во всех случаях происходит по подложке при усилиях 4-5 МПа.

Газопроницаемость является важной характеристикой защитный качеств покрытия. Из полученных данных следует, что она при использовании плазмотрона (Ш слабо'зависит от средней фракции порошка, взятой из обычно используемого для напылении диапазона (20-60 мкм), т.е. происходит одинаково полнее прогс-лавление частиц в этом диапазоне размеров.

Введение металла в количестве 10-20$ снижает газопроницае

-2 2

мость покрытия /ч/ в 2 раза и составляет менее 0.0Ы0 мкм .

Металлоустойчивость покрытий, характеризующая степень перестройки его структуры при воздействии расплава металла.

определялась методом погружения образцов в расплав стали.

На контрольных образцах из стандартного огнеупора наблюдается пропитка металлом на гяубину 2-5 мм с растворением поверхностного слоя в металле. Покрытия из АГ^Э^, особенно с добавлением 10? меди или алюминия, дефектов не имеют и сохраняют исходную структуру. Микрорентгеноспектральиый анализ металлических частиц в таких покрытиях показывает, что использование меди и алюминия не снижает химической стойкости покрытия в расплава стали.

Температурные поля в шиберной плите с покрытиями различного состава при ее эксплуатации определялись численными методами. С использованием метода конечных элементов на ЗЗМ ЕС-1062 рассчитывалось двумерное, осесимметричное температурное поле в много- . слойной плите с учетом нестационарности, нелинейности тепловых процессов и наличия конвективного теплообмена свободной поверхности плиты с атмосферой. Выполненный расчет позволил определить в огнеупоре с покрытием зоны с наибольшим градиентом температур и показал, что введение металлической составляющей в керамическое покрытие снижает максимальное значение градиента на 30$ в самый опасный начальный период работы.

При экспериментальном определении термостойкости огнеупоров о покрытиями критерием служит число теплосмен, выдержанных образном до разрушения. При цикле нагрева до 1300°С и охлаждения в воде на керметных покрытиях появлялись отдельные сколы пооле 3-12 теплосмен. Полного разрушения, отслоения покрытий не происходило не только после 25 базовых термоцшслов, но и при большем их числе (до52), что выше показателей, иодуче->ш.\ч дм образцов, внрез.тгьыс .г» '.т.зддчгтоыч пер»нс*аз'»»и* огнеупоров, выцергити лкх I-'» <: л.г:-:.:'; до полного рязруиетм.

Коэффициент использования порошка р превышает 5С# (средняя фракция порошка 45 мкм), коэффициент использования энергии струи, т.е. часть энергии, затраченной на нагрев и плавление напыляемого материала, при этом 8-11$, что в 2-3 раза вше определенной для аргоновых и азотных плазменных струй.

Скорость частиц Сфракция 30-75 мкм) лежит в пределах

1эо~т м/с.

По результатам исследований была разработана технология изготовления плит шиберных затворов о плазменными покрытиями А^з+Ме, по которой на Внуковском огнеупорном заводе была изготовлена' партия плит, основные эксплуатационные характеристики которых (металлоустойчиво сть, термостойкость, пористость и т.п.) выше, чем у огнеупоров, изготовленных по традиционной технологии. Это подтверждают результаты успешных испытаний плит, проведении« на Руставском металлургическом заводе при разливке стали из ¿ОЦ-тониых ковшей, и иа псковским заводе "Серп и молот* при разливке отаяи на мапине непрерывного литья заготовок»

Э четвергов главе приведены технологические особенности напыления и свойства . металлических покрытий, а отличие от керамик, определяющим при выборе режимов напыления металлов уг-леродсодержащей плазменной струей, являлооь не максимальное тепловложение, а степень химического воздействия струи. Для исследования металлических покрытий использовались методы оптического» химического, рентгеноструктурного и микрорентгеноспект-рального анализов, применялись также анализаторы фирмы "Ьесо" д,ля определения содержания кислорода и углерода в металле и (ИЕ-опектрометр "Регкт ЕХяег", на котором выполнялись исследования поверхноотных слоев.

И

Степень воздействия плазмообразующей среды на напыляемый материал определялась на порошке никельхромборкремниевого сплава типа ПГСР и порошке алюминиевой бронзы (ПГ-19М~01), содержащих легирующие элементы с большим сродством к кислороду.

Покрытия слагаются из плотно приаегавщих чешуевидных частиц, оксидных и углеродных включений нет, общая пористость 5-6$, Дифрактограммы исходных порошков и покрытий полностью идентичны. Содержание кислорода в покрытиях из никелевых сплавов возрастает до или в 10-15 раз, хром и кремний независимо от дис-

танции напыления и состава струи в покрытии полностью сохраняются. зыгорание бора из покрытия зависит от состава струи, так при К»3 угар составляет 25#отн,, при К»1 - 1<*£отн, Выгорание углерода, который при высоких температурах обладает максимальным сродством к кислороду, может служить показателем окислительной способности"плазменной струи. Гак, при напылении сплава ПГСР плазмотроном ПЗК убыль минимальна и составляет ^ЭЦотн» (К»Э), аргоновым плазмотроном ~7#отн» и воздушным - б-17$отн. Максимальный угар '¿3#отн. обнаружен при вдуве порошка в дуговой промежуток воздушного плазмотрона.

Равная величина убыли углерода при использовании защитно* насадки с вдувом Не на плазмотроне ПаК и без нее, позволяет сделать вывод о том, что окисление углерода происходит кислородом, образующимся при диссоциации СО.,, При напылении сплава ПГСР в плазменной струе, обогащенной восстановителями (К«1), состав карбидной фазы не изменяется, а более окислительных отр'/гк (К <5- 3,' воздух, аргон) происходит ее чн':ги'шоь : у

Оплавление самофлюсум:;лхсл покради илззнлнчлй СН^-СО^ не приводит к оозднениь л^г-прумг,;>-:.! а.'^;-I.1 ¡:-"1 ч • тного слоя ис.*о>»г*г. г нс л пен оксидам фаз» V

Исследование контактных поверхностей между частицами, проведенные по изломам бронзовых покрытий, позволили установить зависимость глубины насыщения углеродом и кислородом поверхностных слоев частиц от соотношения компонентов плазмообразующей смеси.

Глубина науглероженного слоя в зависимоосги от К может превышать о

бЦО А , окисленность частицы при этом меньше, чем при напылении в аргоне (рис.5).

<8 3

I

. е'

I

1б

Рио,5 Распределение углерода по глубине частиц в

покрытиях, полученных при различных составах

плазмообразусщего газа:

СНч-С02: 1- К-5, 2- КО, 3- K-I; Ч- аргон

Общее массовое содержание углерода в покрытии при этом может увеличиваться э 6 раз в сравнении с исходным. При напылении в аргоне частицы бронзы ПГ-19М-01 на всей глубине содержат приблизительно равное количество металлического и окисленного алюминия, 3 покрытиях, полученных в смеси CH^-COg при максимальном содержании восстановителя, частицы практически не окислены, толщина о,киоленного слоя ~ 20 Я,

В струе, имесщей наибольший окислительный потенциал (К=5),

о

окисление алюминия происходит на глубину не менее 1000 А, меди 300-400 А.

Обнаруженные изменения поверхностных слоев бронзоиых частиц влияют на адгезионную и когезионную прочность покрытий. Так, угол загиба образцов с покрытием до его растрескивания и отслаивания при напылении аргоновым плазмотроном составил '»5° ,• плазмотроном ПВК при ¡С-1 - I ГОЛ20°, при К-3 - 80-90°.

Анализ приведенных и других характеристик показал, что качество массовых покрытий, нанесенных плазмотронен ГШ, нч уступает покрытиям,, нанесенным в аргоне, воздухе и других плазмообразующих газах.

Разработанная конструкция плазмотрона и предложенные на основании анализа структуры и состава плазменного факела режимы напыления для основных групп материалов, внедрены в промышленность на ряде предприятий С.-Петербурга, Норильска, Мончегорска, Красноярска и др.

Общие выводы

I. Установлено, что повышение эффективности процесса при сох-ранекии высокого качества напыленных покрытий достигается при использовании углеродсодержацих плазмообразукщих смесей углекислого и природного газов, что также обеспечивает длительный ресурс работы катода в безэрозионном режиме. Использование плазмотронов ПЗК позволяет получать плазменную струю, обладающую высокой энтальпией (до 100ЗДж«нм""3), температурой (б-10)»10^К,

о

скорость» истечения (до 2*10 м/с) и теплопередающей способностью, а также возможностью регулирования окислительно-восстановительного потенциала плазменной струи. Кроме того, природный газ и углекислый газ дешевы и недифицитны.

2« Исследованы оснозные закономерности плазменной-струи, генерируемой плазмотроном ПЗК, ее состав и структура. При обеспечении стабильного режима возобновления графитового катода, регулирование углеродсодержацей плазмообразувщей смеси позволяет довести содержание газов восстановителей '( СО, Н2 ) до на расстоянии 8-10 калибров от среза сопла. При этом часть кислорода воздуха, попадающего в струю, связывается в ней, снижая тем самим окислительный потенциал струи.

Характерное для дугового канала радиальное распределение по удельным весам комлонзнтоз плазмообразуюаеЯ смеси, сохраняется при истечении в атмосферу ка расстоянии 7-Ю шлангов сопла.

3. Добавление углеводородов к углекислому газу и эс^спечивает 1 повопенке т»пг;вог1 потока' а о5р-;'.:'лг'."зан-:..л

материал"« в 1,5 раза. Большая , чем у воздуха плотность углекислого газа обеспечивает яучяую тепловую защиту канала анода и меньшее размытие струи в атмосфере.

Исследованы морфология покрытий, нзнзсгкяих плазч-.-тмяом ПБК, их химический состав, фазовый состав, фмзнко-хи.'Л'ческггз и другие специальные характеристики. Установлено, что спйогл а керамических покрытий значительно превышают показатели, полученные при нанесении аргоновыми плазмотронами.

5. Рйлсчатааи температурные поля з огнеупорном керамическом покрытии при его контакте с жидким металлом. Показано, что введение металлической фазы в количество Ю-15#масс. в покрытие снижает максимальные градиенты температур в нем на 30;?.

6. Экспериментально подтверждено, что керметные покрытия с 10-15#металла имеют газопроницаемость в 2 раза ниже, чем керамические, при этом повышается их термостойкость. Использование в качестве металлической компоненты таких металлов, как мель

алюминий, не снижает химической стойкости покрытия в расплаве стал л.

7. Определено при этом, что наименьший угар углерода из покрытий достигается при использования смеси СН^-СС^, а наибольашй-воздуха. Окисление углерода в материале покрытий, нанесенных плазмотроном ЛШ, происходит за счет кислорода, образующегося при диссоциации СО^ в дуговом промежутке, содержание кислорода

в них возрастает в 10-15 раз.

8. Установлено, что важным технологическим параметром, влияющим на качество'покрытий при напылении плазмотроном ПЗК, является соотношение между компонентами плазмообразующей смеси

(к « со2 / сн4 ).

9. iipn напылении кароидсодержащих пороаков в плазменной струе при К»1 состав кароидной фазы не изменяется в сравнении с исходным, в более окислительных струях (при Л^Э, использовании воздуха и аргона) происходит частичное разложение (сароидов. Уоыль бора из покрытия при изменении К от I до 3 возрастает

с 1с: $отн. до ¿5 #отн.

10. Регулирование состава плазмообразующей смеси CH^-COg при

нанесении бронзовых порошков позволяет увеличить содержание

углерода в покрытии в б раз. Установлена зависимость глубины

насыщения углеродом и кислородом поверхностного слоя частиц,

слагающих покрытие, от соотношения К. При этом изменение глу-

о

бины окисленного слоя происходит в перепределах 20 - 1000 А,

что меньше, чем при напылении в аргоне. Глубина науглероженно-

о

го слоя частиц в зависимости от К может превышать 600 А,

11, Зксперимнетально подтвервдено, что изменения в поверхностных слоях частиц бронзовых покрытий влияют на их прочностные характеристики. Похазано, что нанесение бронзовых покрытий более качественных, чем при напылении в аргоне, обеспечивается плазмотроном ПЕК в смеси, обогащенной углеводородами (К Э).

12, С использованием плазмотрона ЛВК разработаны технологии нанесения огнеупорных керметных покрытий большой толщины

(до 3 им), а также технология получения коррозионно- и износостойких антифрикционных покрытий из М-О—в-*S/* сплава.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1, $ри длянд М.Г., Шершнев A.A., Першин В.А, и др. "Нанесение защитных покрытий на огнеупоры электродуговыми горелками о постоянно возобновляющимся катодом". Тезисы докладов 1У Всеооюз-ного совещания "Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов", Мооква, 1983. '

2, 5ридлянд М.Г., Першин В.А. "Плазмотрон о постоянно возобновляющимся катодом для нанесения покрытий". Автоматическая сварка* И, 19£б;

3, Гаенко Н.С., Кортель A.A., Периин В.А. и др. "Применение плазменного напыления при изготовлении плит шиберных затворов", Огнеупоры,.»7, 1985.

Периин В.А., Фридлянд М.Г., "Плазменное нанесение металлокера-мических покрытий на"огнеупоры*. Тезисы докладов III научно»-техничеокой конференции . "Композиционные покрытия", Житомир,19Ф.

5. $ридлянд М.Г., Першин S.A., Еахрах С,П., Бахрах МЛ. "Сравнительные характеристики углекислого газа, воздуха и их смесей с углеводородами при стабилизации дуги", Сварочное производство, №11, 1985,

6. Фриддянд М.Г., Периин З.А., Гаенко Н.С., Карасев BJI. "Летал- ■ -яоустойчивоать огнеупСрав о плазменными покрытиями", Огнеупоры, 16, 1386.

7. Гаенко Н.С., Першин 3.A«, $райфельд H.Gi и др. "Слоиотыв огне-упор", Авторокое свидетельство СССР #1310246» 1985.

8i Фрид ля нд М.Г., Периин З.А.,Стурман В.К, "Огнеупорная смесь". Авторокое свидетельство СССР №148738Ч, 1985.

9. Першин В.А., Фридлянд М.Г., Алексеева Й.С. и др.Тигиеничеокая оценка акустических и оптичеоких характеристик процеооа напыления выоокоэнтальпийными плазмообрааущими газами", 21

Сварочное производство,.','3, 1987г

10. Пзркши Б.Л., Оридлшщ Н.Г., Сторчак А.К. "Оборудование и технология нанесецкя покрытий плазмотронами ЦБК", Конференция "Применение плазменных процессов и пороиковнх покрытий в промышленности" Свердловск, 1988.

11. Фридлянд М.Г., Перш1ш В.А. "Нанесение защитных покрытий плазмотроном ПБК", ДЩГГП, 1989.

12. Першин В.Л., йрядлявд М.Г., Черкасов А.П., Вахалин С.Л. "Способ плазменной обработки", Авторское свидетельство СССР,

. И533843, 1989.

13.' Перйнн В.А., Фридлянд М.Г., Ерцева Л.Н. "Исследование корыстных покрытий на огнеупорах", Огнеупоры, ,'53, 1989..

14. Першин.В.А., Михайлов В.Г. "Расчет температурных полей огие-упора с плазменным покрытием при его контакте с квдкш металлом", Огнеутюра, ,'*4, 1990.

15. Оридлявд 1.1.Г., Першшг В.А., Селезнев В.Г. ."Исследование плазменной струп", Сварочное производство, Г2, 1991.

16. Першин В.А. "Влияние плазмообразущей среда на энергетические характеристики плазмотрона при пороаковой наплавке", .Мегдуна-редашй семинар "Гаготерпсческос напыление в промыпленностп", Ленинград, 1991.

/Ю. Р.ГоГи*г СЖГ7У.