автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Теоретические основы и технологическое обеспечение качества плазменного нанесения и упрочнения покрытий модуляцией электрических параметров

На правах рукописи

КАДЫРМЕТОВ Аывар Минирович

¿Шр'

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ПОКРЫТИЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Специальности 05.02.07 - Технология и оборудование механической

и физико-технической обработки 05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

- 6 НАР 2014

Воронеж 2013

005545649

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Научные консультанты: Сухочев Геннадий Алексеевич,

доктор технических наук, профессор;

Смоленцев Евгений Владиславович,

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Афанасьев Александр Александрович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова», заведующий кафедрой «Стандартизация и управление качеством»;

Вячеславова Ольга Фёдоровна,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)» (Университет машиностроения), заместитель заведующего кафедрой «Стандартизация, метрология и сертификация»;

Мельников Владимир Павлович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)» (МАИ), профессор кафедры «Информационные технологии конструирования радиоэлектронных средств» радиовтуза МАИ

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет» (г. Курск)

Защита состоится 16 апреля 2014 года в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д212.037.04 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан 27 февраля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы и степень её разработанности. В различных отраслях промышленности используются высоконагруженные машины и агрегаты, и обеспечение заданного ресурса их деталей в экстремальных условиях эксплуатации малозатратными средствами является важной задачей государственного значения, соответствующей критическим технологиям получения и обработки конструкционных наноматериапов. Долговечность большого количества машин и механизмов определяется износостойкостью поверхностных слоев их деталей. Одной из важнейших проблем для данных деталей является повышение их ресурса малозатратными средствами, при этом даже относительно небольшое повышение износостойкости таких деталей дает значительный экономический эффект.

Одним из наиболее прогрессивных и эффективных направлений создания деталей с заданными свойствами на их рабочих поверхностях является нанесение защитных покрытий газотермическими методами. В данной группе одним из наиболее эффективных и универсальных является метод плазменного напыления. Имеющиеся способы совершенствования плазменного напыления, направленные на повышение эффективности установившегося процесса нанесения покрытий, почти исчерпаны и ограничены недостаточным уровнем физико-механических и триботехнических свойств покрытий, подверженных высоким динамическим знакопеременным, а также ударным эксплуатационным нагрузкам. Отдельные работы посвящены исследованиям совершенствования плазменного напыления методами динамизации процессов с помощью акустического воздействия на плазменную струю (ГНУ «Институт тепло- и массообмена» HAH Беларуси) и пульсирующей мощности выносной дуги (СГПУ, г. Санкт-Петербург, МГТУ им. Н. Э. Баумана). Вместе с тем, остались неизученными вопросы теоретического описания процессов при модуляции параметров плазменного напыления и методического обоснования их оптимизации.

В связи с вышеизложенным научной проблемой, решаемой в работе, является создание теоретических и методических основ интенсификации газодинамических процессов и управления тепловыми процессами плазменного нанесения с упрочнением покрытий на основе использования модуляции электрических параметров и комбинированного воздействия с электромеханической обработкой на формирование покрытия при его нанесении, обеспечивающих оптимальные технологические условия для получения заданного качества металлических износостойких покрытий деталей машин.

Диссертация выполнялась в рамках научно-исследовательских работ в соответствии с координационным планом ГКНВШ РФ по комплексной научно-технической программе «Восстановление» при содействии Саратовского технического университета в 1991-1995 гг. и в рамках продолжающегося с 2011 г. научного проекта ДРПННиТ НИР:7.4045.2011 по заданию Министерства образования и науки РФ в соответствии с современным состоянием и перспективами развития научно-технического комплекса страны по созданию эффективных покрытий с высокими физико-механическими и триботехническими характеристиками.

Целью работы является разработка теоретических основ и новых технологий плазменного нанесения с упрочнением покрытий, основанных на динамизации процессов модуляцией электрических параметров, обеспечивающей получение высококачественных износостойких покрытий за счет управления скоростью движения и нагрева частиц напыляемого материала и теплового воздействия на деталь с покрытием.

Для достижения поставленной цели определены и решены следующие основные задачи:

1 Разработать теоретические основы технологического обеспечения и принципы системы управления динамикой процессов плазменного нанесения с упрочнением высокопрочных износостойких металлических покрытий.

2 Разработать математические модели, описывающие системы: «дуга -плазменная струя - напыляемые частицы» при плазменном напылении с модуляцией электрических параметров косвенной дуги плазмотрона; «плазменная струя - покрытие - основа» при плазменном нанесении покрытий с модуляцией электрических параметров прямой дуги плазмотрона; «покрытие - основа» при комбинированном процессе совместного плазменного нанесения и упрочнения покрытий термо- и электромеханической обработкой.

3 Используя физическое и математическое моделирование, определить закономерности влияния электрических параметров модуляции (амплитуды, длительности и формы импульсов мощностей дуг, частоты модуляции) на газодинамические (скорость и температуру частиц напыляемого материала) и теп-лофизические критерии (поле температур в покрытии с основой) процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий. На основе установленных закономерностей и моделей указать оптимальные области факторного пространства по предложенным критериям.

4 Разработать экспериментальный комплекс оборудования, позволяющий осуществлять процесс плазменного нанесения с упрочнением покрытия, используя модуляцию электрических параметров и термо- или электромеханическую обработку покрытий.

5 На основе экспериментальных исследований определить закономерности влияния параметров модуляции (амплитуды, длительности и формы импульсов мощностей дуг и частоты модуляции) в процессах плазменного нанесения с упрочнением металлических износостойких покрытий на их физико-механические и триботехнические критерии качества.

6 На базе разработанных теоретических основ создать технологическое обеспечение динамизации процессов плазменного нанесения с упрочнением, осуществляемой модуляцией электрических параметров, высокопрочных износостойких металлических покрытий для разнопрофильных поверхностей деталей машин и систему управления динамикой этих процессов.

7 Создать методологию проектирования технологических процессов плазменного нанесения и упрочнения износостойких покрытий, обеспечивающую повышение энергетического уровня частиц напыляемого материала, а также равномерность распределения температурного поля детали и локальных

зон проплавления покрытия на основе: оптимизации газодинамических и тепловых процессов; управления их динамикой с помощью модуляции электрических параметров плазмотрона; алгоритмов технологического обеспечения показателей качества покрытий с учётом параметров детали и покрытия и эксплуатационных нагрузок на его поверхности.

8 Разработать новый патентоспособный технологический процесс плазменного нанесения износостойких покрытий с применением модуляции электрических параметров и комбинированных с ним способов нанесения покрытий с одновременной термо- и электромеханической обработкой покрытия.

9 Разработать рекомендации по выбору и оптимизации технологических процессов плазменного нанесения и упрочнения металлических покрытий заданного качества в режиме модуляции электрических параметров с учетом профиля поверхности, конструктивных особенностей деталей и эксплуатационных требований к ним.

Объекты исследования: процессы плазменного нанесения и упрочнения покрытий на детали машин в режиме модуляции электрических параметров.

Методы исследования. Методическую базу теоретических исследований составили научные основы технологии машиностроения, теория газодинамики в части струйных течений, бегущих волн скорости и энтропийных волн температуры, теория тепловых сварочных процессов, методы вычислительной математики (метод конечных разностей и дискретных элементов), современные графические и вычислительные системы для ЭВМ.

Методика экспериментальных исследований включала в себя методики оценки газодинамических параметров процессов, разработанных автором, известные и стандартные методики определения физико-механических и трибо-технических характеристик покрытий, методы планирования эксперимента и базировалась на использовании разработанных установок и современных контрольно-измерительных средств.

Предметом исследования явились закономерности изменения параметров в технологической системе плазменного нанесения и упрочнения покрытий при модуляции электрических параметров, методы расчета, оптимизация этих процессов и технологические рекомендации для них.

Достоверность результатов основана на корректности постановки задач, строгости использования математического аппарата, обосновании использования аналитических зависимостей, методическом обеспечении корректности проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных и подтверждается соответствием теоретических и экспериментальных результатов, а также практическим применением результатов в промышленности.

Научная новизна работы заключается в разработке теоретических основ процессов плазменного нанесения и упрочнения износостойких покрытий с использованием динамизации, осуществляемой модуляцией электрических параметров, и в создании на их основе новых технологий получения покрытий. Новые научные результаты состоят в том, что:

1 Установлены механизмы управления энергией частиц напыляемого материала и тепловыми процессами в покрытии и детали, составляющие основы динамизации газодинамических и тепловых процессов плазменного нанесения с упрочнением покрытий посредством модуляции электрических параметров, обеспечивающие повышение прочностных и триботехнических свойств получаемых металлических покрытий.

2 Определены закономерности влияния электрических параметров модуляции на газодинамические и теплофизические критерии процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий, заключающиеся в интенсификации передачи кинетической и тепловой энергии частицам напыляемого материала в плазменной струе и тепловой энергии покрытию, обеспечивающие усиление диффузионных процессов между напыляемыми частицами и поверхностью основы (покрытия) и проплавление покрытия до основы в локальных зонах привязки выносной дуги в моменты импульсного увеличения её мощности, а также минимальный разброс температур и свойств покрытия по профилю детали, что в итоге приводит к повышению прочностных и триботехнических свойств покрытий.

3 Установлены зависимости триботехнических и физико-механических критериев процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий от электрических параметров модуляции, отражающие их нелинейный характер и дающие возможность оптимизации режимов процессов по обеспечению высоких прочности и износостойкости покрытий.

4 Разработаны и реализованы в виде свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ математические и имитационные модели системы «дуга - плазменная струя - напыляемые частицы» при плазменном напылении с модуляцией электрических параметров косвенной дуги плазмотрона, системы «плазменная струя - покрытие - основа» при плазменном нанесении покрытий с модуляцией электрических параметров прямой дуги плазмотрона, системы «покрытие - основа» при комбинированном процессе совместного плазменного нанесения и упрочнения покрытия термо- и электромеханической обработкой.

5 Разработана система управления динамикой процессов плазменного нанесения и упрочнения металлических покрытий с применением модуляции электрических параметров, обеспечивающая получение высококачественных металлических покрытий при минимальном нагреве подложки.

6 Построены алгоритмы технологического обеспечения заданного качества плазменных покрытий, нанесенных в режиме модуляции электрических параметров, с учетом параметров покрытия и деталей и эксплуатационных требований к деталям.

7 Созданы технологии получения плазменных покрытий заданного качества с использованием механизмов модуляции электрических параметров косвенной и прямой дуг плазмотрона и комбинированных технологий упрочнения плазменных покрытий термо- и электромеханической обработкой в процессе их нанесения, включающие в себя комплекс расчетных методик и разработанных патентнозащищённых способов и средств нанесения износостойких покрытий.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- созданы методики и технологическое обеспечение процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий с модуляцией электрических параметров с учетом параметров детали и покрытия;

- созданы малозатратные и высокоэффективные технологические способы интенсификации газодинамических и тепловых процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий с помощью модуляции электрических параметров при минимальном термическом воздействии на подложку, обеспечивающие повышение качества покрытий и эффективности плазменного нанесения и упрочнения покрытий;

- разработаны рекомендации по выбору и оптимизации технологических процессов плазменного нанесения покрытий с их упрочнением динамизацией газодинамических и тепловых процессов, осуществляемой модуляцией электрических параметров и обеспечивающей заданное качество покрытий, с учетом параметров детали и покрытия и условий их эксплуатации;

- разработаны эффективные технологические устройства и приспособления для ведения процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий в условиях модуляции электрических параметров для разнопрофильных поверхностей;

- предложены способы и устройства для определения скоростей фаз гетерогенной плазменной струи в технологических операциях нанесения и упрочнения покрытий, которые могут быть использованы для расчета и оптимизации модуляторов и режимов модуляции, а также для изучения струйных течений и физико-механических процессов взаимодействия таких струй с подложкой;

- созданы установки плазменного нанесения и упрочнения покрытий с модуляторами электрических параметров для использования в мелкосерийном производстве деталей сложных форм.

На защиту выносятся: разработанные теоретические основы процессов динамизации плазменного нанесения покрытий с их упрочнением, осуществляемой модуляцией электрических параметров; методика имитационного моделирования газодинамических и тепловых процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий, учитывающая влияние на них технологических факторов модуляции электрических параметров; закономерности влияния электрических параметров модуляции на газодинамические, теплофизические и физико-механические критерии процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий; система управления динамикой процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий; модели и алгоритмы технологического обеспечения качества плазменных покрытий, нанесенных в режиме модуляции электрических параметров; теоретические основы и методология проектирования высокоэффективных технологических процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий с модуляцией электрических параметров; патентнозащищенные способы нанесения и упрочнения покрытий с модуляцией электрических параметров и устройства на их основе.

Реализация работы. Результаты работы передавались к внедрению на АРЗ № 172 (г. Воронеж), в ОАО «Автокомбинат» (г. Воронеж), начиная с 1998 г. В течение 1992-2013 годов результаты работы были апробированы и внедрены в АО ПТК «КАМАЗ», ООО «Автоцентр», ОАО «Автоколонна-1150», в АО «Автокомбинат» г. Воронежа, в лесхозах п. Графская и г. Богучара Воронежской области, в ОАО «172 ЦАРЗ», ЗАО «НСК ПЛЮС», НПП «Гидротехника» (г. Воронеж), ОАО «Ремдизель» (г. Набережные Челны) и ряде других предприятий на различных деталях с общим годовьм эффектом более 900 тыс. рублей. Основные научные положения, разработанная установка плазменного напыления и техпроцесс используются в учебном процессе и НИР на кафедре ПРЭМ ВГЛТА.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, а также обсуждались на следующих конференциях и семинарах: на конференции «Научно-технический прогресс в лесной отрасли Центрального Черноземья» (Воронеж, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции «Пути повышения качества и надежности деталей из порошковых материалов» (Барнаул-Рубцовск, 1991), краткосрочном научно-техническом семинаре «Прогрессивные технологические процессы механообработки и сборки» (Санкт-Петербург, 1991), Международной научно-технической конференции «Поддержание и восстановление работоспособности транспортных средств» (Саратов, 1995), Международной конференции «Концепции развития и высокие технологии индустрии ремонта транспортных средств» (Оренбург, 1993), Международной научно-технической конференции «Надежность машин и технологического оборудования» (Ростов-на Дону, 1994), Международной научно-технической конференции «Износостойкость машин» (Брянск, 1994), Международном симпозиуме по электрическим машинам «ISEM-XI» (Швейцария, Лозанна, 1995), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы математического моделирования и автоматизированного проектирования в машиностроении» (Казань, 1995), Международной научно-технической конференции «Поддержание и восстановление работоспособности транспортных средств» (Саратов, 1995), Всероссийской научно-технической конференции «Теория, проектирование и методы расчета лесных и деревообрабатывающих машин» (Москва, 1997), Международной научно-технической конференции «Научно-технические проблемы в развитии ресурсосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса» (Воронеж, 1998), Всероссийской научно-практической конференции «Повышение технического уровня машин лесного комплекса» (Воронеж, 1999), Всероссийской научной конференции «Совершенствование наземного обеспечения авиации» (Воронеж, 1999), Международной конференции «Нетрадиционные методы обработки» (Воронеж, 2002), ГУ-ом Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем (Воронеж, 2007); Международной конференции «Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении ТМ-2010» (Воронеж, 2010); XVII-ой Международной научно-технической интернет-конференции «Новые

материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2013), ежегодных Международных научно-практических конференциях (СПб, 2007-2012): «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (2007), «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (2008-2011), «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (2012, 2013).

Область исследования. Диссертационная работа соответствует паспортам специальностей:

05.02.07 — Технология и оборудование механической и физико-технической обработки, пунктам: 2 - Теоретические основы, моделирование и методы экспериментального исследования процессов механической и физико-технической обработки, включая процессы комбинированной обработки с наложением различных физических и химических воздействий; 3 - Исследование механических и физико-технических процессов в целях определения параметров оборудования, агрегатов, механизмов и других комплектующих, обеспечивающих выполнение заданных технологических операций и повышение производительности, качества, экологичности и экономичности обработки; 6 — Новые технологические процессы механической и физико-технической обработки и создание оборудования и инструментов для их реализации;

05.02.08 - Технология машиностроения по пунктам: 2 - Технологические процессы, операции, установы, позиции, технологические переходы и рабочие хода, обеспечивающие повышение качества изделий и снижение их себестоимости; 3 - Математическое моделирование технологических процессов и методов изготовления деталей и сборки изделий машиностроения; 4 — Совершенствование существующих и разработка новых методов обработки и сборки с целью повышения качества изделий машиностроения и снижения себестоимости их выпуска; 7 - Технологическое обеспечение и повышение качества поверхностного слоя, точности и долговечности деталей машин.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 140 научных работ общим объемом 117, 05 усл. печ. л. (доля автора - 72,82 усл. печ. л.), в том числе: монографий без соавторства - 2; журнальных статей из перечня ВАК - 20, из них статей без соавторства - 6; в сборниках научно-технических трудов — 38; авторских свидетельств и патентов Российской Федерации - 12; свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ - 4. Личный вклад во всех работах, опубликованных в соавторстве, принадлежит автору в равной степени как в постановке задач и разработке основных положений, определяющих научную новизну и практическую ценность, так и в результатах выполненных исследований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 218 наименований, 2 приложений. Основная часть работы изложена на 383 страницах и содержит 86 рисунков и 23 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность решаемой проблемы, определены цели и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, дана общая характеристика содержания диссертации.

В первой главе «Современное состояние исследований плазменного нанесения и упрочнения покрытий. Постановка задач исследований» рассмотрены условия работы и характерные виды повреждений деталей машин и на основе этого определены требования, предъявляемые к покрытиям. Приведены возможности и недостатки методов плазменного нанесения и упрочнения покрытий и характеристики покрытий, получаемых этими методами. Установлены пути совершенствования методов плазменного нанесения и упрочнения покрытий и поставлены задачи исследования.

Большинство деталей автомобилей, станков, лесных и других машин работают в условиях изнашивания при знакопостоянных, знакопеременных или ударных нагрузках. Исходя из эксплуатационных условий работы пар трения, соответствующих удельным поверхностным нагрузкам 1,5...30 МПа и более и скоростям скольжения 2...5 м/с и более, наличию абразива в зоне трения, определены требования к покрытиям. Для большинства поверхностей деталей, подверженных изнашиванию, средняя прочность соединения покрытия с основой должна быть не менее 40...85 МПа, а при ударных нагрузках - не менее 100... 120 МПа. Покрытия должны иметь твердость не менее 45 ЖС, при ударном и абразивном изнашивании - не менее 55 НЯС. Покрытия для деталей, работающих при знакопеременных нагрузках, не должны ухудшать сопротивление усталости деталей.

Анализ существующих методов и средств плазменного напыления, основанных на повышении эффективности установившихся процессов, выявил следующие недостатки получаемых покрытий: неудовлетворительная прочность соединения покрытия с основой при ударных нагрузках, высокие остаточные напряжения в покрытиях повышенной толщины, неравномерность физико-механических характеристик покрытия, ограниченность в применении для внутренних малогабаритных поверхностей и для нанесения покрытий толщиной более 1,5 мм.

Над проблемами обеспечения высокого качества процессов плазменного напыления покрытий работали многие исследователи, представляющие различные зарубежные и отечественные научные школы, анализ работ которых показал, что одним из перспективных направлений совершенствования плазменного напыления является динамизация его газодинамических, тепловых и др. процессов с помощью модуляции его параметров, под которой понимается периодическое, в том числе и импульсно-периодическое изменение этих параметров. Проблемам повышения эффективности плазменного напыления динамическими методами путем наложения импульсов тока дуги на слаботочную дугу и другими методами модуляции параметров были посвящены работы ученых Института металлургии им. А. А. Байкова, МГТУ им. Н. Э. Баумана, ВНИИавто-

генмаш, Института тепло- и массообмена имени A.B. Лыкова и др. Исследование базируется на результатах данных работ и развивает их в отношении технологического обеспечения качества и повышения эффективности процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий. Однако в литературе не освещены теоретические и экспериментальные вопросы влияния модуляции тока косвенной дуги плазмотрона на газодинамические параметры частиц, отсутствуют зависимости от этого влияния свойств покрытий, нет данных по износам покрытий, отсутствует информация о процессах, протекающих при совмещении нанесения и упрочнения покрытий с помощью выносной дуги плазмотрона в режиме модуляции электрических параметров, а также отсутствуют данные о свойствах получаемых при этом покрытий. В данных методах не исследованы газодинамические, тепловые и физико-механические процессы, не изучены технологические вопросы процессов термо- и электромеханического упрочнения применительно к плазменным покрытиям. Показано, что в целях обеспечения равномерности свойств покрытий по всей их поверхности необходимо управление температурным полем подложки при нанесении и упрочнении покрытий как с помощью модуляции параметров процесса, так и с помощью специальным образом организованного охлаждения поверхности. На основании анализа результатов информационного поиска были поставлены цель и задачи исследования.

Во второй главе «Общая методика исследований» представлено обоснование путей решения поставленных задач, рассмотрены программа и методики для проведения исследования. Предложена научная концепция управления динамикой газодинамических и тепловых процессов плазменного нанесения покрытий посредством модуляции мощностей дуг плазмотрона (изменением амплитуд, длительностей и формы импульсов и частоты модуляции), обеспечивающего повышение энергопередачи частицам напыляемого материала (энергетического уровня), оптимизирующего тепловое воздействие на деталь с покрытием и улучшающего физико-механические свойства покрытий по критериям прочности, пористости, твердости и износостойкости. На основе предложенной концепции для достижения цели исследований были предложены гипотезы. В соответствии с целью, предложенной концепцией и гипотезами, поставленные задачи решались проведением теоретических и экспериментальных исследований процессов динамизации плазменного нанесения с упрочнением покрытий, осуществляемой модуляцией электрических параметров (ДМП) и получаемых металлических покрытий в диапазонах режимных параметров, соответствующих мощностям косвенной и прямой дуг плазмотрона 2-50 кВт и 0,1-5 кВт, а также параметрам модуляции: амплитудам мощностей импульсов — 0,5-600 кВт, длительностям импульсов - 5-1000 мкс, частотам модуляции -10-7000 кГц. Экспериментальные исследования проводились по методике, изложенной в главе 5.

Третья глава «Теоретическое описание процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий» посвящена теоретической разработке основ динамизации процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий, осуществ-

ляемой модуляцией электрических параметров, на основе физической и математической модели системы «косвенная и прямая дуга - плазменная струя -покрытие — основа» в режиме модуляции параметров электрических дуг плазмотрона.

Технологическое использование модуляции в процессах ДМП основывается на физических моделях механизмов динамизации газодинамических и тепловых параметров, которые вызываются преобразованием электрической энергии импульсов тока косвенной или выносной дуги при модуляции в тепловую и газодинамическую энергии дуги и окружающего её пространства. Физические процессы в плазменной струе при модуляции мощности косвенной дуги плазмотрона с частотой модуляции ум, длительностью тм, амплитудой АЫ и крутизной мощности (ЛИ/Л импульсов заключаются в генерировании в плазменной струе энтропийных тепловых волн с амплитудой по температуре ДГП и ударных волн с числом Маха М, соответствующим сильным или слабым ударным волнам. Результатом воздействия этих волн на гетерогенную плазменную струю является: усиление турбулизации плазменной струи, приводящей к повышению равномерности её поперечного профиля А, дальнобойности по температуре ¿т и энтальпии Ьш; увеличение коэффициентов аэродинамического сопротивления частиц Со и теплопередачи к ним а от плазменной струи; повышение скорости частиц К, и скорости их нагрева <з?7У<Л. Такое повышение энергетического состояния частиц обеспечивает улучшение условий физического контакта частиц с подложкой и соединения с ней за счет увеличения напорного и импульсного давлений частиц на подложку при ударе, что приводит к уменьшению пористости П и увеличению прочностных характеристик покрытия (адгезии ста и когезии а,). Физические процессы в покрытии при модуляции мощности прямой дуги плазмотрона с амплитудой Д7УП и временем импульса т„ состоят в проплавлении покрытия до переходной зоны с основой и формировании физического контакта за время а также химического взаимодействия покрытия с основой в точечных локальных зонах привязки прямой дуги к основе (покрытию). В масштабе всей поверхности с учетом влияния скорости К и подачи 5 плазмотрона формируются определенные распределения плотности дискретных зон проплавления и теплового воздействия на основу и покрытие, обусловливающие равномерность температурного поля основы и повышение физико-механических и триботехнических характеристик покрытия.

Условия формирования и качество получаемых покрытий определяются энергетическим воздействием на формируемое покрытие по трем каналам: от напыляемых частиц (параметрами скорости К,, температуры Тч и теплового потока <7ч), газовой фазы плазменной струи (параметрами скорости Кг, температуры Тг, тепловых потоков нагрева цт и охлаждения дохл) и термо- и электромеханического воздействия на напыляемую поверхность и покрытие (параметрами мощности прямой дуги Ы„ и её амплитуды, давления ролика и его амплитуды АР, тепловых потоков от термо- <7М и электромеханического д3 воздействий, теплопроводности X и теплоемкости ср материалов, радиусов вала Я„ и обкатывающего ролика Яр, частоты вращения вала и„ и шага витков напыления Н). Из

модели следует, что для технологического обеспечения качества процесса определяющее значение имеет влияние двух физических составляющих плазменного процесса: энергетического состояния частиц материала покрытия и термодинамического состояния системы «покрытие-основа». Поэтому сложность описанных физических процессов в системе «косвенная и прямая дуга - плазменная струя - покрытие - основа» в режиме модуляции электрических параметров дуг плазмотрона обусловила необходимость представления данной системы по частным моделям. Их исследование позволяет решить задачу обеспечения повышения качества покрытий в комплексе математических моделей, включающих описание процессов с модуляцией параметров: газодинамических, распределения температурного поля системы «покрытие - подложка» с учетом охлаждения поверхности напыления, термо- и электромеханической обработки покрытия (рисунок 1).

Математическая модель газодинамических процессов гетерогенной плазменной струи, модулируемой импульсами тока косвенной дуги плазмотрона, включает в себя эмпирическое описание стационарной однофазной плазменной

струи, аналитическое описание распространения в стационарной струе бегущих волн скорости и энтропийных волн температуры и описание поведения напыляемых частиц в модулируемой плазменной струе.

На основе уравнений движения и неразрывности газовой фазы плазменной струи распространение бегущих волн скорости по оси струи х описывалось решением:

где скорость газа Vr = Vncp + Vom; VBep, Vom - соответственно переменная и стационарная составляющие скорости плазмы на срезе плазмотрона, м/с; сот -скорость звука в невозмущенной среде при VT = Vom, м/с; t - время, с; % — пока-| an»«, [ я« |Hic"|n Iя« U* ! 3 затель политропы. Функция скорости * * f(VT) определялась из граничных усло-

Рисунок 1 - Структура комплекса вий изменения скорости на срезе сопла математических моделей плазмотрона, формируемого треуголь-

ными импульсами мощности косвенной дуги, по .зависимостям для первой и второй половины импульсов соответственно:

2V т

= — при л-т„<т<-^- + л-т„,

2

= — + при п-т„+^<т<т,ш+п-тп,

^ИМП

где п = О, 1, 2, 3,...; Кго, - соответственно скорость газа и амплитуда её пульсаций на срезе сопла плазмотрона, м/с; т„мп, тп - соответственно длительность импульса и периода его пульсаций, с.

Начальные условия, соответствующие распределению параметров плазменной струи вдоль её оси х, описывались зависимостями:

г.« = к.

Р-« =-, "" 7- -300 С"(Х) = ^'Р/Р"(Х), (3)

где для начального участка плазменной струи ф = 1, я = 1; для переходного -Ф ~ 0,5, я ~ 0,6; для основного - ф ~ ОД, я ~ 0,1; Ут(х) - скорость на оси плазменной струи, м/с; Г„ - нормальная температура, Г„ = 300 К; Тт(х) - температура на оси плазменной струи, К; рт(х) - плотность газа на оси струи, кг/м ; ст(х) - скорость звука на оси плазменной струи, м/с; Р - давление, Па.

Для начального участка плазменной струи в интервалах времен, соответствующих первым половинам импульсов мощности дуги, исходя из выражений (1) и (2) получена зависимость переменной скорости газовой фазы в виде:

а для времен, соответствующих вторым половинам импульсов, - в виде:

Г+1 [I т~„ Г + 1 ) -(г+1) ]

Энтропийные волны переносятся вместе с потоком, поэтому общее решение распределения температуры по продольной координате струи х и времени ? имеет вид:

Т(х,1) = Т

у-тг

Исходя из граничных условий, соответствующих изменению температуры на срезе сопла плазмотрона в виде треугольных импульсов, образующихся от импульсов мощности косвенной дуги:

2 Т т

—-т. при П-т„<т<-^ + И-т„,

= + при п-т„+^<т<тймп+и-т„,

Тп=Т„ при л-т„ + т„ип<т<(и + 1)-т„ и начальных условий (3) получены аналитические зависимости температуры от расстояния х и времени 1, где Га - амплитуда температуры, К.

12

В начальном участке плазменной струи для времен, соответствующих первым половинам импульсов мощности дуги, выражение для температуры газовой фазы имеет вид:

/

х

/--

V

\ 'От У

для времен, соответствующих вторым половинам импульсов, — вид:

2 1. I х

Г.(*. ()=Т0т+2-Т.—и-

Аналогичные выражения переменной скорости и температуры газовой фазы получены для переходного и основного участков плазменной струи.

Изменение скорости и температуры частиц описывалось уравнениями их движения и теплового баланса в квазистационарном приближении, соответствующем тому, что коэффициенты аэродинамического сопротивления и теплоотдачи частиц зависят только от мгновенных значений гидродинамических параметров. Это обосновано малостью времени установления стационарного пограничного слоя частиц, равного 0,1-10 мкс, по сравнению с длительностью модулирующих импульсов порядка 100-1000 мкс.

Математическая модель гетерогенной плазменной струи реализована численно методом Эйлера 2-го порядка. Описание пульсаций давления в плазменной струе реализовано имитационной моделью в программе для ЭВМ (свид. № 2013612100).

Температурное поле системы «покрытие — подложка» представлено в виде суммы температур общего поля вдали от источника тепла Тместного поля вблизи него Глв и начальной температуры Го, "С:

г=гг + гпв + г0.

Общее поле температур для мощного быстродвижущегося источника тепла д определялось на основе уравнения температурного поля, описывающего предельное состояние процесса распространения тепла в полуограниченном теле, движущемся относительно источника тепла по поверхности в направлении оси ОЛГс постоянной скоростью V:

У-х УК

Тг{К,х^) = -4—-е 2а 2а, (4)

¿11' К-к

х +у +г ;

х, у -координаты поверхности тела, м;

г — координата, направленная вглубь тела перпендикулярно его поверхности, м;

а — коэффициент температуропроводности, м2/сек;

Я. - коэффициент теплопроводности, Вт/(м град).

Прих = 0 и у = 0 К = г- глубина тела основы.

Начальное и граничные условия: ?|т>0=9;

&

0 , Г|г=оо=0. 2=0

Суммарная мощность прямой дуги Л^ (Вт) в импульсе при модуляции, обеспечивающая проплавление покрытия на глубину Л (м) до переходной зоны с основой, оценивалась с помощью выражения

= 4,25-У-Су И2

где V- скорость перемещения пятна привязки прямой дуги по покрытию, м/с; Су - объемная теплоемкость материала покрытия, Дж/(кг-К); Т„л - температура плавления материала покрытия, "С; 4 - коэффициент учета распределенности источника тепла:

Ж7+Т--

го — радиус пятна привязки прямой дуги к покрытию, м.

Для цилиндрических тел, напыляемых по винтовой линии, общее поле вдали от источника тепла Г£ определялось выражением:

ехр

__Ф(Р.-0

я2ст ^

2 к-а - Н

■п ; £ = —; =-

5

4-х.

(5)

д-ге Я " К

где т„ - безразмерный комплекс, характеризующий время; 4 - безразмерный комплекс, характеризующий шаг напыления; - погонная энергия, Дж/м; Я -радиус цилиндра, м; 0 - угловая координата, рад.; - тепловая эффективная мощность плазмотрона, Вт; Ф, (р, т„) - функция процесса распространения тепла по радиусу цилиндра; п - количество оборотов, п = 1, 2, 3 и т. д.; Уо - соответственно осевая и окружная скорости источника тепла; Су - объемная теплоёмкость тела, Вт/(м3 /0; Н- шаг витков, м.

Плотности тепловых потоков в случае модуляции параметров выносной дуги плазмотрона определялись суммой

где д10 - стационарная мощность, Вт; - средневзвешенное значение эффективной тепловой мощности от модулирующих импульсов, которое определялось выражением:

?(имп = ^7/ямп ' т(ямп " Л'|МОД »

где Дд.-тш - амплитуда импульсов мощности, Вт; г;имп - длительность импульсов, с; Уыод - частота следования импульсов, Гц.

На основе решений (4) для полуограниченного тела и (5) для цилиндрического тела с помощью метода отражения и наложения (суперпозиции) тепловых волн, а также с учетом процессов теплового выравнивания и среднеинте-грального увеличения температуры тела были получены решения для профильных тел, таких как, например, зуб экскаватора и коленчатый вал. Математическая модель температурного поля системы «покрытие-подложка» реализована численно. Результаты расчетов, представленные в следующем разделе, позволили определить оптимальные интервалы теплового воздействия в процессах

ДМП, обеспечивающие равномерность поля температур покрытия и основы по профилю её поверхности.

Математическая модель термо- и электромеханической обработки покрытия учитывала сложный, нелинейный характер воздействия факторов на свойства и геометрию покрытия, которые, в первую очередь, определяются температурой и деформацией материала.

Для оценки влияния параметров электромеханической обработки (ЭМО) на физико-механические характеристики покрытия использовалось описание процесса формирования покрытия, а также тепловых и электрических процессов с помощью одной из разновидностей метода дискретных элементов (Smoothed Particles Hydrodynamics Method). Моделируемые среды представлены как совокупность большого количества элементов малого размера, взаимодействующих между собой по законам классической физики, включающих в себя уравнения движения элементов, теплообмена с окружающими элементами, изменения электрического потенциала элементов. Математическая модель комбинированных процессов плазменного напыления с ЭМО была реализована в программах для ЭВМ (свид. № 2013612101, 2013615055, 2013615740) и использована для определения прочности покрытия, плотности и шероховатости, величины остаточных напряжений в нем.

Математическое моделирование позволило провести теоретический анализ газодинамических и тепловых процессов при модуляции электрических параметров косвенной и прямой дуг плазмотрона, теоретически обосновать режимы нанесения и охлаждения покрытий на профильные и малогабаритные внутренние поверхности, обеспечивающие локальное проплавление покрытий в местах привязки выносной дуги во время импульсов её мощности и равномерность температурного поля системы «покрытие - основа» по профилю поверхности, получить целесообразные условия термо- и электромеханического упрочнения покрытий.

В четвёртой главе «Теоретические предпосылки повышения эффективности методов плазменного нанесения и упрочнения покрытий» был проведен теоретический анализ и рассмотрены вопросы управления процессами ДМП на основе математического моделирования. Получено, что в интервале изменения длительности х от 20 до 300 мкс и амплитуды импульсов мощности ДЪГ прямой полярности от 50 до 500 кВт увеличение частоты модуляции тока дуги vM до 3 кГц приводят к увеличению скорости частиц в среднем в 1,3 раза (рисунок 2). Более чувствительными к модуляции являются частицы с менее плотным материалом. Влияние частоты модуляции возрастает с увеличением амплитуды импульсов мощности и с увеличением длительности импульсов. Рост длительности и амплитуды импульсов мощности при постоянных частотах модуляции также приводит к увеличению скорости частиц на величину до 40-60 %. Влияние модуляции тока дуги плазмотрона на температуру частиц выражается в ускорении их нагрева и плавления. При этом скорости плавления частиц и скорость их движения возрастают пропорционально друг другу. Модуляция тока косвенной дуги в диапазоне частот от 0 до 1500-2100 Гц приводит

к росту амплитуды пульсаций давления в струе, оказываемого на основу, на 50 % и более. Такое влияние модуляции электрических параметров на газодинамические процессы повышает энергетический уровень напыляемых частиц и тем самым приводит к повышению прочности их соединения с основой, что было подтверждено экспериментально и отражено в главе 5.

Влияние модуляции электрических параметров на температурное поле напыляемой поверхности имеет два пространственно-временных аспекта. В аспекте локального воздействия на покрытие показано, что в моменты импульсного увеличения мощности выносной дуги в местах её привязки к напыляемой поверхности обеспечивается проплавление поверхности до переходной зоны «покрытие-подложка». Это обеспечивает гарантированное соединение покрытия с подложкой. В аспекте масштаба всей поверхности регулирование параметров модуляции выносной дуги позволяет обеспечить минимизацию разбро-

де — 160 мм; т+ = 300 (/, 4), 100 (2, 5) и 20 мкс (3, б): 1,2, 3-AN* = 500 кВт; 4t 5, 5-50 кВт; I, t - доверительные границы экспериментальных данных при т+ = 300 мкс, AN* = 500 кВт и при т+ = 300 мкс, AN* = 50 кВт соответственно

Рисунок 2 - Зависимости скорости частиц из материала ПГ-СР4, ПН85Ю15 (а) и ПН55Т45 (б) от частоты модуляции vM и амплитуды импульсов мощности прямой полярности ДN*

са температур по профилю поверхности основы и равномерность её температурного поля. Это подтверждается результатами расчетов для цилиндрических деталей при напылении по винтовой линии (рисунок 3). Из графика зависимости температуры основы от распределения средневзвешенной амплитуды мощности q^ и частоты вращениям видно, что разброс температур при регулировании мощности импульсов составляет 2-5 % от среднего уровня. При традиционном использовании предварительного подогрева с помощью плазмотрона без его предварительной продольной подачи вдоль цилиндрической детали разброс температур составляет 10-20 % от среднего уровня и более, то есть на 80-180 "С больше, чем при использовании модуляции выносной дуги. Уменьшение разброса температур на поверхности детали позволяет снизить на ней

различие температурных деформаций, создает условия для равномерного распределения структуры и физико-механических свойств покрытия и основы. Результаты расчета на примере коленчатого вала двигателя КАМАЗ-740 показали, что разброс температур поверхности напыления не более 2...5 "С обеспечивается за счет регулирования средневзвешенной тепловой эффективной мощности путём её уменьшения на первых трех витках в пределах от 165 до 10 Вт для шатунных шеек и в пределах от 370 до 160 Вт для коренных шеек.

Использование модуляции мощности выносной дуги при напылении на внутренние малогабаритные поверхности также позволяет обеспечить равномерность температурного поля напыляемой поверхности. Еще более актуально использование модуляции мощности выносной дуги при напылении на профильные поверхности деталей, подвергающихся высоким износным нагрузкам, таких как рабочие органы почвообрабатывающих, лесных и строительно-дорожных машин. В частности, это относится к деталям клиновидной формы, таким как зуб ковша экскаватора, плуг культиватора. На их поверхностях неравномерность нагрева может достигать 600 °С. Использование модуляции мощности выносной дуги позволяет уменьшить эту величину до 10-20 °С.

Ть'С т5,.Лд=300,п=80) 985

965

945

925

Я иил, Вт 800

600

400

200

1 5 9 13 17 21 25 29 п

Л = 0,04 м; # = 0,002 м; Т-^зм„ - измеренная температура

Рисунок 3 - Зависимость температуры основы от частоты вращения п и распределения средневзвешенной эффективной тепловой мощности ^

при модуляции

Результаты расчетов термомеханической обработки показали, что величина радиуса ролика должна выбираться исходя из компромисса по удовлетворению требований невысокой величины силы обкатки и малой волнистости обкатываемой поверхности в интервале 5... 12,5 мм, причём целесообразна двухступенчатая обкатка покрытий. На первой стадии с целью оплавления покрытия и выполнения размера образца, обеспечивающего минимальный припуск на шлифование, обкатка должна проводиться при высоких температурах покрытия (>1400 К) с погонной силой обкатки, не превышающей 250...550 Н/мм. Вторая стадия обкатки должна проводиться традиционным способом без нагрева с це-

лью упрочнения покрытия с погонной силой обкатки 400...800 Н/мм. Электромеханическая обработка плазменных покрытий в сравнении с термомеханической обработкой позволяет повысить когезию примерно в 2 раза, снизить остаточные напряжения примерно в 3 раза и шероховатость поверхности ориентировочно на 20 %. Охлаждение водной или водно-аэрозольной струей обрабатываемых поверхностей, особенно для наиболее термически нагруженных поверхностей при ЭМО, позволяет снижать температуру поверхности деталей на 50-200 °С и поддерживать среднюю температуру детали на приемлемом уровне (около 150 °С), что не приводит к образованию существенных внутренних напряжений в окончательно сформированном покрытии.

Результаты моделирования позволили определить основные закономерности влияния модуляции электрических параметров на критерии нанесения и упрочнения покрытий, наметить условия проведения опытов и задать технические параметры экспериментального оборудования, послужившие исходными данными для его разработки.

В пятой главе «Экспериментальные исследования процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий» представлены методика и результаты экспериментальных исследований процессов ДМП на наружные и внутренние малогабаритные поверхности с использованием и без использования дополнительной выносной дуги с модуляцией электрических параметров. Изучено влияние модуляции электрических параметров плазмотрона на электрические, газодинамические параметры процесса воздушного плазменного напыления, физико-механические и триботехнические свойства покрытий.

Для проведения исследований разработано экспериментальное оборудование, включающее установку и устройства для нанесения и упрочнения покрытий на наружные и внутренние поверхности. Отличиями данной установки от известных установок являются наличие в ней модулятора, позволяющего импульсно модулировать ток дуги плазмотрона однополярными (с прямой и обратной полярностью) и двухполярными импульсами (а. с. 1774828), и наличие дополнительного контура выносной дуги с модулятором и блоком управления модулятора (пат. № 2211256). В качестве плазмообразующего газа использовали азот, воздух или воздушно-пропановую смесь. В качестве напыляемого материала использовали никель-титановый интерметаллид (порошок ПН55Т45) фракцией 40-100 мкм, самофлюсующийся материал на основе никеля (порошок ПГ-СР4) фракцией 40-64 мкм и никель-алюминиевый материал (ПН85Ю15) фракцией 40-64 мкм.

Для оценки энергетического состояния напыляемых частиц и температурного поля покрытия исследованы электрические, газодинамические, тепловые процессы. Скорости газовой и дисперсной фаз плазменной струи определялись разработанными способом и устройствами дискового типа (пат. 2029308, пат. 2063638), позволяющими одновременно определять скорости обеих фаз гетерогенной струи. Исследования физико-механических свойств покрытий включали в себя определение прочности их соединения с основой, твердости и микротвердости покрытий, газопроницаемости, пористости, микроструктуры и

рентгеноструктурного анализа покрытий.

Исследования электрических, газодинамических процессов и температурного поля основы. Поскольку, как было показано ранее в главах 1 и 4, энергия напыляемых частиц в плазменной струе пропорциональна силе ударной волны в плазменной струе и вызывающей её амплитуде мощности дуги, то были проведены эксперименты по определению режимов, обеспечивающих максимальные амплитуды импульсов мощности дуги. Результаты экспериментов показали, что целесообразными параметрами модуляторов, обеспечивающими получение максимальных амплитуд однополярных импульсов, являются: для модулятора сложения импульсов емкость С+= 30...40 мкф и сопротивление /?+< 0,1 Ом; для модулятора вычитания импульсов емкость С~ = 20...28 мкф; сопротивление Я'< 0,3...0,6 Ом. Анализ зависимостей амплитуд импульсов силы тока А/+ и напряжения АС/+ прямой полярности от расхода плазмообразую-щего воздуха £)втд приводит к целесообразному значению ()лтя = (70...120)-10'5 м3/с (50...80 л/мин). С точки зрения максимальных частот модуляции и минимальных времен импульсов целесообразными являются полуинтервалы: ево,д< 80-10"5 м3/с (50 л/мин); (?<, 10 мкф; Я+< 0,1 Ом; С" < 5 мкф; Я < 1,5 Ом. Двухполярная импульсная модуляция в сравнении с однополярной позволяет увеличить энерговложение в импульсе прямой полярности в ~1,5 раза. Также данная схема позволяет повысить крутизну нарастания импульса прямой полярности и тем самым - интенсивность генерируемых волн за счет снижения исходного уровня энергии дуги перед наложением импульса прямой полярности.

Газодинамические эксперименты с плазмотроном ЭДП-104 показали, что при модуляции тока косвенной дуги импульсами обратной полярности скорость частиц К, может возрасти примерно на 30...50 % (от 100... 130 м/с). Во всех случаях частицы оказались расплавленными. Дальнейшее повышение скорости частиц обеспечивалось использованием модуляции прямой полярности (рисунок 2) и двухполярной модуляции. На режиме двухполярной модуляции при /ср я 235 А, Щ я 130 В, С = 4 мкф, Я' = 1,308 Ом, С" =40 мкф, Д+= 0,05 Ом и у„ =1,5 кГц была получена скорость частиц материала ПН55Т45 К, я 160 м/с. Повышение скорости частиц в данном случае происходит вследствие воздействия на них ударных волн слабой интенсивности, хотя частота модуляции здесь меньше, чем в первом случае. Добавление пропана в плазмообразующий воздух дополнительно приводит к повышению скорости частиц примерно в 1,2; 1,05 и 1,1 раза на режимах без модуляции, с модуляцией по схеме прямой полярности и с двухполярной модуляцией соответственно.

Экспериментальные исследования температуры основы подтверждают эффективность использования модуляции электрических параметров в процессах нанесения и упрочнения покрытий с точки зрения равномерности поля температур различных типов деталей (типа «зуб», «коленчатый вал») и проплавле-ния покрытия до границы «покрытие-основа» в местах привязки выносной дуги во время импульсов её мощности. Отклонения экспериментальных данных от теоретических составили не более 8...10 %. Показана эффективность охлаждения основы разработанными способами и устройствами при нанесении и уп-

рочнении покрытий на малогабаритные внутренние поверхности и при нанесении покрытий толщиной более 1 мм на профильные клиновидные поверхности типа плуга культиватора и зуба ковша экскаватора.

Исследование физико-механических и триботехнических характеристик покрытий. Получено, что модуляция тока косвенной дуги плазмотрона, определенная методом отрыва конусного штифта, увеличивает прочность соединения покрытия с основой на 22...25 МПа (с 15...21 МПа), повышает квазитвердость покрытий на 10...25 НЯС, микротвердость - на 1...3 ГПа, уменьшает газопроницаемость покрытий в ~ 4. ..10 раз, повышает износостойкость покрытия в условиях изнашивания в абразивно-масляной прослойке в 1,14...1,9 раз. Анализ типичных микроструктур и рентгенострукгурного анализа покрытий показал, что импульсная модуляция косвенной дуги плазмотрона приводит к заметному уменьшению оксидных и неметаллических составляющих в покрытии (в 2...3 раза). При этом основную долю неметаллических включений составляют оксиды: для материала ПН55Т45 - ТЮ (С, О), для самофлюсующегося материала ПГ-СР4 - Сг203, БеО, В203, ЗЮ2, для материала ПН85Ю15, кроме перечисленных, дополнительно А1203. Повышение физико-механических характеристик и износостойкости покрытий при модуляции тока косвенной дуги объясняется расплавленным состоянием частиц и повышением их скорости, что обусловливает повышение прочности связей их с подложкой и друг с другом.

Использование модуляции тока выносной дуги в процессе плазменного напыления позволяет дополнительно повысить прочность соединения покрытия с основой на 15...25 % и достичь значений 120...150 МПа (метод сдвига). При этом по сравнению со случаем без модуляции выносной дуги пористость покрытий снижается с 0,4...0,72 % до 0,31...0,51 %, а твердость возрастает до значений 55...60 НЯС (с 50...55 НЯС). Данное улучшение характеристик покрытия может быть объяснено регулярным импульсным воздействием выносной дуги на покрытие с необходимой амплитудой мощности, которое обеспечивает локальное проплавление покрытия на глубину до границы переходной зоны «покрытие-подложка» в местах привязки дуги к покрытию и равномерное распределение данных зон проплавления покрытия. Увеличение объема оплавленных зон обеспечивает интегральное повышение прочностных показателей покрытия. Регулирование амплитуды и длительности импульсов мощности выносной дуги в режиме её модуляции позволяет уменьшить разброс температур по профилю поверхности детали с покрытием и обеспечивает более равномерное распределение физико-механических свойств покрытий по показателям твердости, микротвердости, пористости до уровня 2...5 %. Это объясняет увеличение предела выносливости до 210 МПа для образцов с покрытиями, полученными с использованием модуляции (у образцов с покрытиями, полученными без модуляции, - не более 180 МПа).

Результаты металлографического анализа показали увеличение степени дисперсности упрочняющих фаз и пересыщение твердого раствора на основе никеля, что может являться причиной повышения микротвердости покрытия с 5,55...8,91 ГПа (при отсутствии модуляции выносной дуги) до 6,12...10,62 ГПа

(в случае модуляции). Повышение степени дисперсности упрочняющих фаз покрытия может быть объяснено кратковременностью импульсного проплавления локальных зон покрытия в местах привязки выносной дуги и быстрым охлаждением этих зон. Повышение твердости и микротвердости покрытий, полученных с использованием модуляции выносной дуги, приводит к повышению их износостойкости в 1,25...1,35разпо сравнению со случаем без модуляции.

Рентгеноструктурным анализом покрытия ПГ-СР4 установлено наличие в покрытии следующих фаз: твердого раствора на основе никеля в количестве 38 %, карбоборсилицидной эвтектики в количестве 50 % и 12 % избыточных фаз (карбиды хрома Сг7С3 и Сг2зС6, бориды никеля и хрома СгВ, №3В, №2В, силициды никеля N¡281, N15812, незначительное количество оксидов хрома, кремния и бора). Сопоставление покрытий, напыленных с модуляцией и без модуляции электрических параметров выносной дуги, указывает на незначительные качественные изменения в структурных составляющих и изменение количественных соотношений фаз N1, СгВ, СгВ2, №3В, №2В, Сг3С2, Сг7С3.

Показано, что прочность соединения покрытия с основой после термомеханической обработки выше для напыленных покрытий, полученных с одновременной обработкой модулированной выносной дугой, в сравнении со случаем без такой обработки на 7-10 %. Наиболее высокие физико-механические и триботехнические свойства покрытий реализуются при ЭМО покрытий, а также в комбинированном процессе плазменного нанесения покрытия с одновременной ЭМО, в частности, прочность соединения покрытия с основой достигает 240 МПа и более.

Результаты исследований подтвердили возможность и целесообразность модуляции электрических параметров при нанесении износостойких покрытий на наружные и внутренние рабочие поверхности деталей различного профиля, в том числе деталей, испытывающих циклические знакопеременные и ударные нагрузки.

В шестой главе «Разработка и реализация технологии плазменного нанесения и упрочнения покрытий с модуляцией электрических параметров» рассмотрены условия работы упрочняемых и восстанавливаемых деталей, работающих в условиях трения, описана методика их сравнительных испытаний, представлены основные положения технологических процессов ДМП, разработан алгоритм выбора разновидностей процессов ДМП, методология проектирования технологических процессов и рекомендации по выбору режимов этих процессов.

Представлены отличия технологических процессов ДМП от традиционного процесса нанесения и упрочнения покрытий, заключающиеся в самой операции нанесения и упрочнения покрытия. В первую очередь для их реализации предложена установка плазменного напыления с контурами питания косвенной и выносной дуг и с модуляторами этих дуг (а. с. 1774828, пат. 2211256). Разработаны устройства для нанесения и упрочнения покрытий на различные поверхности в зависимости от их типа и условий работы, в том числе на профильные поверхности типа шатунных шеек коленчатых валов (пат. 2085301), на

клиновидные поверхности типа зубьев ковшей (пат. 2175024), на внутренние малогабаритные поверхности.

Разработана методика определения технологических рекомендаций по выбору режимов операций нанесения и упрочнения покрытий с модуляцией электрических параметров в зависимости от типов деталей и условий работы их поверхностей трения. К технологическим параметрам импульсной модуляции тока дуги плазмотрона относятся частота модуляции и параметры импульсов -амплитуда, длительность, форма. Частота модуляции достаточно просто регулируется задающим генератором частоты. Амплитуда, длительность и крутизна импульсов регулируется изменением емкостей и активных сопротивлений модуляторов. Методика выбора режимов нанесения и упрочнения покрытий в общем случае включает в себя два этапа. На первом этапе находятся оптимальные области режимов без модуляции, на втором - выбор схемы и режимов модуляции. Выбор режимов модуляции при напылении косвенной дугой основывается на двух руководящих принципах. Первый принцип заключается в максимизации выделяемой энергии в каждом импульсе при минимально возможной его длительности, то есть в максимизации амплитуды мощности импульсов. Целью здесь является получение ударных волн с возможно большей интенсивностью при умеренной эрозии электродов и испаряемости порошка. Для этого случая предпочтительна схема комплексной двухполярной модуляции. Другой принцип заключается в интенсификации теплообмена в системе «дуга - плазменная струя - частицы» с помощью создания интенсивных акустических волн в плазменной струе (свыше 150 дБ) на частотах более 5 кГц. Амплитуды импульсов тока здесь могут быть ограничены. В данном случае предпочтительна схема однополярной импульсной модуляции (обратной полярности).

Режимы модуляции выносной дуги также основываются на двух принципах. Первый принцип заключается в создании оптимальных амплитуды и длительности каждого импульса мощности, обеспечивающих локальные участки проплавления покрытия до границы переходной зоны «покрытие-подложка» в моменты воздействия импульсов. Второй принцип заключается в оптимизации концентрации локальных зон проплавления и обеспечении равномерности свойств покрытия в масштабе всей поверхности покрытия и реализуется с помощью регулирования частоты модуляции. В таблице 1 представлены технологические рекомендации по нанесению покрытий в режиме модуляции мощностей косвенной и выносной дуг плазмотрона. Модуляция мощности косвенной дуги целесообразна для деталей, поверхности которых не подвержены ударным нагрузкам. К таким деталям относятся сопрягаемые неподвижные относительно друг друга детали, детали пар трения скольжения. Для деталей, работающих в условиях трения при знакопеременных нагрузках (таких как коленчатые валы), а также для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания, целесообразно использование двух дуг в режиме модуляции выносной дуги. Для деталей, работающих в условиях ударных нагрузок (таких как рабочие органы почвообрабатывающих и строительно-дорожных машин), дополнительно может быть рекомендована термо- и электромеханическая обработка покрытий.

Таблица 1 - Рекомендуемые режимы напыления для воздушных электродуговых плазматронов с вихревой стабилизацией дуги

Параметры исходного режима без добавления пропана и без модуляции Режим Расход пропана, м3/с (л/мин) Частота модуляции, Гц Параметры импульсов Параметры модуляторов Применение

Время, мке Амплитуда С, мкф R, Ом

«+» «+» «+» «+»

м,Р = о Jv= 150 А; С/ср-200 В; Qum~ 1,5-10"3 М3/с (90 л/мин); 01р = О,МО"3м3/с (6 л/мин); L = 160 мм; напыляемый материал ПН55Т45; Соор=210-3кг/с с добавлением пропана 0,6-10"3 (3,6) - - - - - - - - - Для сопрягаемых деталей неподвижных соединений

с добавлением пропана и модуляцией обратной полярности Тоже 5000 и более, максимально возможная менее 60 - 0,Up... ...0,&/ф = = 15... ...20 А - менее 4 - 1,3... ...2 - Для поверхностей деталей пар трения

с добавлением пропана и комплексной модуляцией То же 300... 2000, оптимизируется 50... ...70 70... ...300 0,8/,= = 120 А более 700 А 4 40 1,3 менее 0,1 Для покрытий деталей пар трения с прочностью соединения с основой на отрыв не менее 40 МПа

ЛГ„р = 1,5...2,5кВт; jV,oa = 3,5...4,5 кВт; (0,6.. .0,8)-■10 s м3/с; с, = (0,1. ..0,2)- •lO'V/c; напыляемый материал ПГ-СР4; Gn4,= (9...18)-•Ю^кг/с; L = 0,015..,0,020 м; V= 0,005.. .0,010 м/с 0 = 0,02-0,06 м; □ = 0,5-1,5 с"1 - начальная: 180-320; конечная: 25-35 - 100 - 4,5 кВт - 6 - 1,25 Для покрытий деталей с прочностью соединения с основой на сдвиг не менее 100 МПа

0 = 0,06-0,1 м; а =о,з-о,5 с1 - начальная: 70-180; конечная: 25-80 - 175 - 12 кВт - 8 - 1,2

0 = 0,1-0,14 м; □ =0,2-0,3 с1 - начальная: 65-100; конечная: 30-50 - 250 - 22 кВт - 10 - 1,1

Примечание - Обозначения: Л',(1С> - мощность прямой и косвенной дуги соответственно; С4р - средние сила тока и напряжение косвенной дуги; <2ф, Спор - расход плазмообразующего воздуха, транспортирующего пропана и порошка соответственно; С - ёмкость; Л - сопротивление; X, - дистанция напыления; V- подача плазмотрона вдоль оси детали; 0 - диаметр напыляемой поверхности; □ - частота вращения; «+»,«-» -импульсы прямой и обратной полярности соответственно

/ Беод ucxoSHLK даных: ' -тип а размеры детом; /— материал детали в покрыли, , -техн. 'lyeSuBdMia* дггалн /

.. -•*"" Поверхность язутр '"^•-..{чалигабгр итная—

..- ""'Сапряг^смая'"'""-"-. —поверхность?

Ж

—^ Неподвижное

сопряжение?^...— "Нет

Расчет внупреннего вгпшбния

ркчгг напыления с выносной дугой

Повышенны« . rex. требования,.

Расчет нал тения с иодуляыиен

налыле ш!я с выносной дугой

Расчет термс-или электрон« упрочнения

Oitraioca^iW регр«ссиошв>к зависимостей

—I-

'"лгтЕ прение т?хн

^ Повышенные

»^TiS TpfSOBUDM.,-

Г Ргсчгг напяпення с

еыносиой дугей

Териологичес-

кие режимы

Анализ полученных результатов позволил предложить алгоритм выбора методов и режимов ДМП (рисунок 4).

В седьмой главе «Технологические перспективы и возможности процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий с модуляцией электрических параметров» представлены результаты стендовых и эксплуатационных испытаний деталей с покрытиями, предложена методика определения технико-экономической эффективности технологий создания покрытий на деталях машин путем плазменного нанесения и упрочнения с модуляцией параметров, данные о внедрении результатов исследований на предприятиях. Сравнительные испытания проводили в стендовых и эксплуатационных условиях в различных организациях, в том числе в АО ПТК «КАМАЗ», ООО «Автоцентр», в Богучарском лесхозе Воронежской области, в ОАО «Автоколонна-1150», ОАО «ЦАРЗ 172» (г. Воронеж), ОАО «Ремдизель» (г. Набережные Челны) и других в течение 1992-2012 годов. Испытаниям были подвергнуты различные детали, в том числе коленчатые валы, валы коробок передач металлообрабатывающих станков, гильзы цилиндров двигателей и пневмоцилиндров, коронки зубьев ковша экскаватора. Стендовые и эксплуатационные испытания деталей с полученными покрытиями показали повышение их ресурса на 20...50 % и более и подтвердили практическую эффективность технологии ДМП. Основные результаты работы освоены в промышленных условиях и внедрены на предприятиях г. Воронежа и г. Набережные Челны для нанесения износостойких покрытий и их упрочнения на деталях транспортных машин с общим годовым эффектом более 900 тыс. рублей. Экономические расчеты методов ДМП показали их экономическую эффективность. Предлагаемый технологический процесс внедрен на ОАО «ЦАРЗ № 172» г. Воронежа, ОАО «Ремдизель» г. Набережные Челны. Основные научные положения, разработанная установка плазменного на-

Рисунок 4 — Алгоритм выбора технологии плазменного нанесения и упрочнения покрытий

пыления и техпроцесс используются в учебном процессе и НИР на кафедре ПРЭМ ВГЛТА.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Разработаны теоретические основы технологического обеспечения и принципы системы управления динамикой плазменного нанесения износостойких металлических покрытий с их упрочнением на основе установленных механизмов динамизации газодинамических и тепловых процессов, осуществляемой модуляцией электрических параметров, которые приводят к повышению прочностных и триботехнических свойств металлических покрытий.

1 Теоретически установлены и экспериментально подтверждены зависимости температурного поля в системе «покрытие - основа» от параметров модуляции тока выносной дуги плазмотрона как в локальных зонах привязки выносной дуги к поверхности напыления, так и по напыляемой плоской, цилиндрической или профильной поверхности детали, позволяющие осуществлять управление тепловыми процессами проплавления покрытия в указанных локальных зонах в моменты импульсного увеличения мощности выносной дуги и режимами нанесения покрытий с минимальным разбросом температур по профилю поверхности детали.

2 Созданы теоретические и методические основы технологического обеспечения заданных параметров качества плазменных покрытий деталей машин с учетом их эксплуатационных требований и параметров покрытий и деталей на основе полученных закономерностей и связей между технологическими факторами процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий с применением модуляции электрических параметров, термо- и электромеханической обработки и физико-механическими и триботехническими критериями качества покрытий.

3 Получены новые зависимости газодинамических характеристик процесса плазменного напыления от параметров модуляции на основе построенной математической модели гетерогенной плазменной струи, модулируемой импульсами тока косвенной дуги плазмотрона. Показано и экспериментально подтверждено, что модуляция тока косвенной дуги плазмотрона приводит к генерации слабых ударных волн внутри канала плазмотрона, усиливает межфазный теплообмен в гетерогенной плазменной струе за счет более интенсивной турбулизации струи и ускоряет движение и нагрев напыляемых частиц на величину до 40-50 %.

4 Разработаны патентнозащищенные способы и технологические устройства нанесения и упрочнения покрытий и на их основе экспериментальный комплекс оборудования, позволяющий получать за счет использования модуляции электрических параметров плазменного нанесения и упрочнения покрытий более высокие, а в комбинированных процессах с термо- и элек-

тромеханической обработкой и ранее недостижимые для плазменно напыленных покрытий прочностные и триботехнические свойства.

5 Разработаны и реализованы в виде свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ математические модели:

- газодинамическая модель системы «дуга - плазменная струя - напыляемые частицы» при плазменном напылении с модуляцией электрических параметров косвенной дуги плазмотрона, учитывающая распространение бегущих волн скорости и энтропийных волн температуры в плазменной струе и их воздействие на частицы напыляемого материала (свидетельство №2013612100);

- тепловая модель системы «плазменная струя - покрытие - основа» при плазменном нанесении покрытий, учитывающая импульсное изменение мощности выносной дуги при модуляции её мощности;

- модель системы «покрытие - основа» при совместном плазменном нанесении и упрочнении покрытия термо- и электромеханической обработкой, учитывающая электрические и механические процессы в зоне контакта ролика с покрытием и покрытия с основой (свидетельства № 2013612101, №2013615055) и эффективность охлаждения детали (свидетельство №2013615740).

6 Достигнуто улучшение физико-механических и триботехнических свойств покрытий за счет повышения энергетического уровня напыляемых частиц, полученного с помощью модуляции мощности косвенной дуги, и за счет регулярного импульсно модулируемого воздействия выносной дуги на покрытие: повышение прочности соединения покрытия с основой на 20...23 МПа (с 15...19 МПа; метод отрыва) и на 20...40 МПа (с 100...120 МПа; метод сдвига) при модуляции тока косвенной и выносной дуги соответственно; уменьшение пористости покрытий, повышение квазитвердости до 40...45 ЖС и твердости покрытий до 55...60 НЯС при модуляции тока косвенной и прямой дуги соответственно; повышение микротвердости покрытий на 1...3 ГПа; повышение износостойкости покрытий до двух раз и более, в том числе для условий ударно-абразивного изнашивания покрытий.

7 Разработана методология проектирования технологического процесса плазменного нанесения и упрочнения износостойких покрытий с модуляцией электрических параметров плазмотрона, учитывающая расположение поверхности детали (наружные или внутренние малогабаритные поверхности), форму поверхности (плоские, цилиндрические или профильные поверхности деталей), эксплуатационное назначение (подвижные или неподвижные сопряжения) и уровень нагрузок, позволяющая обеспечивать заданное качество покрытий.

8 Спроектирован новый технологический процесс плазменного нанесения износостойких покрытий с применением модуляции электрических

параметров и комбинированных с ним способов нанесения покрытий с одновременной термо- или электромеханической обработкой покрытия, отличающийся от известных способами, средствами и режимами проведения операций нанесения и упрочнения покрытий, обеспечивающими их высокое качество.

9 Впервые разработаны рекомендации по выбору и оптимизации технологических процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий заданного качества в режиме модуляции электрических параметров для деталей с учетом профиля их поверхности, конструктивных особенностей деталей и эксплуатационных требований к ним, определяющих использование модуляции мощности косвенной и/или прямой дуги, либо термо- или электромеханической обработки покрытия.

10 Подтверждена эффективность данных способов и технологий стендовыми и эксплуатационными испытаниями. Технологические рекомендации и режимы технологических операций нанесения и упрочнения покрытий внедрены на различных предприятиях, и получен экономический эффект на сумму свыше 900 тыс. рублей в год.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

Общее количество - 140, монографий - 2, статей в журналах - 25, патентов - 12, свидетельств о регистрации программ для ЭВМ - 4.

База данных РИНЦ: статей - 30, цитир. - 90, индекс Хирша - 4.

Список основных публикаций по теме работы

а) книги:

1 Кадырметов, А. М. Управление технологическим обеспечением процессов плазменного нанесения покрытий в режиме модуляции электрических параметров [Текст]: монография / А. М. Кадырметов. - Воронеж: Научная книга, 2013. - 260 с.

2 Кадырметов, А. М. Технологическое обеспечение плазменного напыления в режиме модуляции электрических параметров [Текст]: монография / А. М, Кадырметов; ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». - Воронеж, 2012. - 190 с. - Деп. в ВИНИТИ 10.12.2012, №445-В2012.

б) из перечня ВАК российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук:

3 Сухочев, Г. А. Экспериментальные исследования параметров управляемости процесса воздушно-плазменного нанесения и упрочнения покрытий [Текст] / Г. А. Сухочев, А. М. Кадырметов // Упрочняющие технологии и покрытия. -2008. -№ И(47).-С. 53-56.

4 Кадырметов,- А. М. Особенности процесса воздушно-плазменного нанесения и упрочнения покрытий [Текст] / А. М. Кадырметов, Г. А. Сухочев // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2009. - № 4(52) . - С. 25-28.

5 Кадырметов, А. М. Технология плазменного нанесения и упрочнения покрытий в ресурсосберегающих производственных процессах [Текст] / А. М. Ка-

дырметов, Д. И. Станчев, Г. А. Сухочев // Упрочняющие технологии и покрытия. -2010.-№7(67).-С. 29-36.

6 Технологическое обеспечение качества нанесения защитных покрытий комбинированной обработкой [Текст] / Г. А. Сухочев, О. Н. Кириллов, А. М. Ка-дырметов, Д. М. Небольсин, Е. Г. Смольянникова // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2010. - № 8(68). - С. 39-44.

7 Кадырметов, А. М. Методы плазменного, с модуляцией электрических параметров, нанесения и упрочнения покрытий [Текст] / А. М. Кадырметов // Автомобильная промышленность. - 2010. — № 8. - С. 37-39.

8 Кадырметов, А. М. Оборудование для плазменного нанесения и упрочнения покрытий с модуляцией электрических параметров [Текст] / А. М. Кадырметов, Д. И. Станчев, Г. А. Сухочев // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2010. -№ 11(71).-С. 41-48.

9 Кадырметов, А. М. Технологические возможности и проблемные вопросы плазменного нанесения и упрочнения покрытий с модуляцией электрических параметров [Текст] / А. М. Кадырметов II Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2011. - Т. 7. - № 8. - С. 79-83.

10 Управление качеством плазменных покрытий деталей машин на основе модуляции параметров плазмотрона и электромеханической обработки [Текст] / В. И. Посметьев, А. М. Кадырметов, В. О. Никонов, А. Ф. Мальцев // Мир транспорта и технологических машин. - Орел: Госуниверситет - УНПК, 2011. - № 4(35). -С. 23-31.

11 Кадырметов, А. М. Исследование процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий и пути управления их качеством / А. М. Кадырметов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. -Краснодар: КубГАУ, 2012. - №07(81). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/07/pdf/25.pdf, 1,125 у. п. л.

12 Моделирование процесса плазменного напыления покрытий на детали транспортных машин в режиме модуляции мощности дуги плазмотрона / А. М. Кадырметов, М. В. Драпалюк, В. И. Посметьев, В. О. Никонов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2012. - № 10(84). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/10/pdf/19.pdf, 0,625 у. п. л.

13 Оценка качества плазменных покрытий, нанесенных комбинированным методом с обкаткой роликом, полученная на основе компьютерного моделирования / А. М. Кадырметов, В. И. Посметьев, В. О. Никонов, В. В. Посметьев // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. -Краснодар: КубГАУ, 2013. - №03 (87). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2013/03/pdf30.pdf, 0,813 у. п. л.

14 Кадырметов, A.M. Компьютерное моделирование распространения тепла в детали в комбинированном процессе плазменного напыления и упрочнения покрытия / А. М. Кадырметов, В. О. Никонов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2013. -

№ 04(88). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2013/04/pdfi'23.pdf, 0,750 у. п. л.

15 Кадырметов, А. М. Математическая модель тепловых процессов плазменного напыления с электромеханической обработкой покрытий / А. М. Кадырметов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2013. - № 04(88). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2013/04/pdf24.pdf, 1,438 у. п. л.

16 Кадырметов, А. М. Совершенствование процессов и проблемные вопросы плазменного нанесения и упрочнения покрытий на основе модуляции электрических параметров [Текст] / А. М. Кадырметов, Г. А. Сухочев И Фундаментальные и прикладные проблемы науки и технологий. - 2013. - № 2(298). - С. 78-86.

17 Кадырметов, А. М. Модуляция электрических параметров - метод совершенствования плазменного нанесения и упрочнения покрытий [Текст] / А. М. Кадырметов // Международный технико-экономический журнал. - 2013. - № 2. -С. 111-116.

18 Кадырметов, А. М. Интенсификация энергообмена в гетерогенной плазменной струе при модуляции электрических параметров процесса плазменного напыления [Текст] / А. М. Кадырметов // Инженерно-физический журнал. - 2013. -Т. 86.-№4.-С. 739-746.

19 Кадырметов, А. М. Технологические перспективы и возможности процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий [Текст] / А. М. Кадырметов, С. И. Сушков, В. О. Никонов // Строительные и дорожные машины. - 2013. -№ 7. - С. 25-32.

20 Кадырметов, А. М. Моделирование качества покрытий, полученных плазменным напылением с одновременной электромеханической обработкой [Текст] / А. М. Кадырметов, Г. А. Сухочев, А. Ф. Мальцев // Упрочняющие технологии и покрытия. -2013. -№ 8. - С. 39-43.

21 Кадырметов, А. М. Плазменное напыление покрытий в режиме модуляции электрических параметров [Текст] / А. М. Кадырметов // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2013 г. - № 10. - С. 23-29.

22 Кадырметов, А. М. Физическая модель механизмов динамизации процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий с помощью модуляции электрических параметров [Текст] / А. М. Кадырметов, Г. А. Сухочев, А. Ф. Мальцев, Д. А. Попов // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2013. - № 10. -С. 19-26.

в1 в иностранных журналах:

23 Kadyrmetov, А. М. Intensification of energy exchange in a heterogeneous plasma jet by modulation of the electric parameters of the plasma-spraying process [Текст] / A. M. Kadyrmetov // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. -2013. - July. - Vol. 86. -No.4. - pp. 789-797 / (www.springerlink.com/openurl.asp? genre=article&id=doi: 10.1007/s 10891 -013-0896-x).

г) в материалах международных научно-практических конференций:

24 Кадырметов, А. М. Влияние модуляции электрических параметров на физико-механические свойства и структуру плазменных покрытий [Текст] / А. М. Кадырметов // Нетрадиционные методы обработки: сб. науч. тр. междунар. конф.-Воронеж: ВГТУ, 2002. - Ч. 1. - С. 94-99.

25 Кадырметов, А. М. Повышение стойкости деталей машин методами воз-

душно-плазменного нанесения и упрочнения покрытий [Текст] / А. М. Кадырметов // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки: материалы 9 Междунар. практ. конф. - СПб: Изд-во политехи, ун-та, 2007. - Ч. 1. - С. 127-131.

26 Кадырметов, А. М. Свойства плазменных покрытий, напыленных в режиме модуляции электрических параметров [Текст] / А. М. Кадырметов // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин и механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки: материалы 10 Междунар. науч.-практ. конф. - СПб: Изд-во политехи, ун-та, 2008. -Ч. 1. - С. 140-143.

27 Кадырметов, А. М. Математическое моделирование процесса плазменного напыления покрытий при модуляции электрических параметров [Текст] / А. М. Кадырметов // Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня: материалы 11-й Междунар. науч.-практ. конф. - СПб: Изд-во политехи, ун-та, 2009. - Ч. 1. - С. 83-90.

28 Вопросы технологии комбинированной обработки поверхностей длинномерных деталей под покрытия [Текст] / Г. А. Сухочев, О. Н. Кириллов, А. М. Кадырметов, Д. М. Небольсин // Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении (ТМ-2010) : сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. -Воронеж: ВГТУ, 2010. - С. 161-164.

29 Кадырметов, А. М. Технология плазменного нанесения и упрочнения покрытий с модуляцией электрических параметров [Текст] / А. М. Кадырметов // Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня: материалы 12 Междунар. науч.-пракг. конф. - СПб: Изд-во политехи, ун-та, 2010.-Ч. 1.-С. 110-117.

30 Кадырметов, А. М. Технологические средства для нанесения и упрочнения покрытий с модуляцией электрических параметров [Текст] / А. М. Кадырметов // Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня: материалы 13 Междунар. науч.-практ. конф. - СПб: Изд-во политехи, ун-та, 2011. - Ч. 1. - С. 142-149.

31 Перспективы упрочнения покрытий методом плазменного напыления с одновременной электромеханической обработкой [Текст] / А. М. Кадырметов, В. О. Никонов, В. Н. Бухтояров, Е. В. Снятков, А. Ф. Мальцев // Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика: материалы 14 Междунар. науч.-практ. конф. - СПб: Изд-во политехи, ун-та, 2012. -Ч. 1. - С. 75-79.

32 Компьютерное моделирование комбинированного процесса плазменного напыления покрытия с одновременной механической или электромеханической обработкой [Текст] / А. М. Кадырметов, В. О. Никонов, М. В. Драпалюк, В. В. По-сметьев, А. С. Пустовалов // Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика: материалы 15 Междунар. науч.-практ. конф. - СПб: Изд-во политехи, ун-та, 2013-Ч. 1.- С. 85-92.

д) в других научных и научно-технических изданиях:

33 Сухочев, Г. А. Поверхностное упрочнение защитных покрытий нагруженных деталей [Текст] / Г. А. Сухочев, А. М. Кадырметов, К. А. Яковлев // Нетрадиционные технологии в машиностроении и приборостроении: межвузов, сб.

науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1998. - С. 80-85.

34 Нанесение воздушно-плазменных покрытий повышенной толщины на клиновидные зубья ковша экскаватора [Текст] / С. И. Акиныпин, Г. В. Зибров, А. М. Кадырметов, Д. И. Станчев // Совершенствование наземного обеспечения авиации: межвуз. сб. науч.-метод. тр. - Воронеж: ВВАИИ, 2000. - Ч. 1. - С. 162-165.

35 Методы моделирования тепловых процессов при напылении и оплавлении деталей сложной формы [Текст] / Д. И. Станчев, А. М. Кадырметов, А. В. Винокуров, В. Н. Бухтояров // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГЛТА, 2001. - С. 161-164.

36 Кадырметов, А. М. Оценка температур клиновидных поверхностей в процессе плазменного напыления [Текст] / А. М. Кадырметов // Технологическое обеспечение машиностроительных производств: межвузов, сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 2002. - Вып. 2 - С. 55-59.

37 Кадырметов, А. М. Экспериментальные исследования воздушно-плазменного нанесения и упрочнения покрытий с модуляцией электрических параметров [Текст] / А. М. Кадырметов, А. В. Чудинов И Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГЛТА, 2006. - С. 28-35.

38 Кадырметов, А. М. Теоретические предпосылки совершенствования воздушно-плазменного нанесения и упрочнения покрытий при модуляции электрических параметров [Текст] / А. М. Кадырметов // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте: межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГЛТА, 2008. - С. 108-118.

39 Перспективы упрочнения покрытий методом плазменного напыления с одновременной электромеханической обработкой [Текст] / А. М. Кадырметов, В. О. Никонов, В. Н. Бухтояров и др. // Станочный парк. - 2012. -№ 8 (96). - С. 23-25.

40 Кадырметов, А. М. Технологическое обеспечение качества плазменных покрытий деталей транспортных систем управлением режимными параметрами процесса [Текст] / А. М. Кадырметов, Г. А. Сухочев // Насосы. Турбины. Системы. -2012. -№4(5). -С. 38-45.

е) в авторских свидетельствах, патентах и свидетельствах об официальной регистрации программ для ЭВМ:

41 А. с. 1774828 СССР, МКИ(5) Н 05 В 7/18, Н 05 Н 1/00. Способ нанесения покрытия и устройство для его осуществления [Текст] / А. П. Лукьянчук, А. М. Кадырметов, Б. А. Кайзер, Д. И. Станчев (СССР) - № 4908035/07; Заявл. 08.01.91.

42 Пат. 2085301 Россия, МКИ(6) В05В 13/04, 13/02, 15/08. Устройство дня нанесения покрытий на шатунные шейки коленчатых валов [Текст] / В. И. По-сметьев, А. М. Кадырметов, В. В. Ливенцев, К. А. Яковлев ; заявитель и патентообладатель Воронежская государственная лесотехническая академия. -№ 94030571/25 ; заявл. 17.08.1994 ; опубл. 27.07.1997, Бюл. № 21. - 5 с.

43 Пат. № 2175024 RU, МПК 7 С 23 С 4/12. Устройство для плазменного напыления фигурных плоскостей [Текст] / Акиныпин С. И., Кадырметов А. М., Станчев Д. И.; заявитель и патентообладатель Воронежский военный авиационный инженерный институт. - № 99111396/02; заявл. 31.05.1999; опубл. 20.10.2001, Бюл. № 34. - 7 с.

44 Пат. № 2211256 Россия, МПК 7 С 23 С 4/12. Способ нанесения покрытия

[Текст] / Станчев Д. И., Кадырметов А. М., Бухтояров В. Н., Винокуров А. В.; заявитель и патентообладатель Воронежская государственная лесотехническая академия. - № 2001115118/02; заявл. 04.06.2001; опубл. 27.08.2003, Бюл. 2003. № 24.- 9 с.

45 Пат. № 2447951 Россия, МПК В05В 13/04. Устройство для нанесения покрытий на шатунные и коренные шейки коленчатых валов [Текст] / Посметьев В. И., Кадырметов А. М., Бухтояров В. Н., Снятков Е. В., Мальцев А.Ф., Станчев Д. И. ; заявитель и патентообладатель Воронежская государственная лесотехническая академия. - №2010145214/05; заявл. 03.11.2010; опубл. 20.04.2012, Бюл. № 11.-6 с.

46 Пат. №2480533 Россия, МПК С23С 4/18, В24В 39/06, В23Н 9/00 Способ комбинированного упрочнения деталей [Текст] / Кадырметов А. М., Посметьев В. И., Посметьев, В. В., Никонов В. О., Сухочев Г. А., Мальцев А. Ф.; заявитель и патентообладатель ООО «Доступная робототехника». - № 2011140996/02; заявл. 11.10.2011; опубл. 27.04.2013, Бюл. № 12. - 8 с.

47 Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2013612100 от 14.02.13 г. Программа для ЭВМ «Программа для моделирования плазменного нанесения покрытий» [Текст] / В. О. Никонов, А. М. Кадырметов, В. И. Посметьев, В. В. Посметьев; правообладатель ФГБОУ ВПО ВГЛТА. -№ 2012661423; заявл. 21.12.2012; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 14.02.2013.

48 Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2013612101 от 14.02.13 г. Программа для моделирования способа комбинированного упрочнения поверхностей деталей [Текст] / В. О. Никонов, А. М. Кадырметов, В. И. Посметьев, В. В. Посметьев; правообладатель ФГБОУ ВПО ВГЛТА. -№ 2012661430; заявл. 21.12.2012; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 14.02.2013.

49 Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2013615055 от 27.05.13 г. Программа для моделирования эффективности способа комбинированного упрочнения плазменных покрытий [Текст] / А. М. Кадырметов, В. О. Никонов, В. И. Посметьев, В. В. Посметьев; правообладатель ФГБОУ ВПО ВГЛТА. - № 2013613083; заявл. 17.04.2013; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 27.05.2013 г.

50 Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2013615740 от 19.06.13 г. Программа для моделирования тепловых процессов в деталях машин при комбинированном способе нанесения покрытий [Текст] / А. М. Кадырметов, В. О. Никонов, В. И. Посметьев, В. В. Посметьев; правообладатель ФГБОУ ВПО ВГЛТА. - № 2013613346; заявл. 24.04.2013; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 27.05.2013 г.

51 Пат. на полезную модель № 129021 от 26.12.2012. Устройство для комбинированного упрочнения шеек коленчатых валов [Текст] / В. И. Посметьев, А. М. Кадырметов, В. О. Никонов, А. С. Пустовалов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». - № 2012156454/05; заявл 26.12.2012, Бюл. № 17. - 4 с.

Подписано в печать 29.02.2014. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 2,0. Заказ 51Тираж 100 экз. Отпечатано в УОП ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» 394087, г. Воронеж, ул. Докучаева, 10

А

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

05201450757

КАДЫРМЕТОВ Анвар Минирович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ПОКРЫТИЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

05.02.07 - Технология и оборудование механической

и физико-технической обработки

05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты: д.т.н., проф. Г. А. Сухочев д.т.н., доц. Е. В. Смоленцев

Воронеж -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................7

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ПОКРЫТИЙ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.....................................................................................................18

1.1 Существующие технологические возможности плазменного нанесения и упрочнения покрытий. Критерии и факторы процесса.................21

1.2 Физические процессы при напылении, особенности структуры и физико-механические свойства неупрочненных плазменных покрытий.........28

1.3 Анализ условий повышения качества покрытий при плазменном напылении................................................................................................................33

1.4 Анализ исследований процессов при модуляции в системе "источник питания - дуга - плазменная струя"..................................................45

1.5 Анализ исследований процессов в системе "плазменная струя -напыляемые частицы"............................................................................................57

1.6 Некоторые физико-механические свойства покрытий..............................69

1.7 Технологические особенности плазменного напыления

с модуляцией параметров......................................................................................70

1.8 Пути решения проблемы формирования плазменных покрытий заданного качества и постановка цели и задач исследований...........................71

2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ..........................................................................77

2.1 Общие положения методики теоретических и экспериментальных исследований...........................................................................................................77

2.2 Методика экспериментального исследования и её особенности применительно к новым процессам динамизации плазменного

нанесения и упрочнения покрытий.....................................................................79

2.2.1 Общие положения методики экспериментальных исследований.........79

2.2.2 Экспериментальное оборудование и рабочие материалы......................80

2.2.3 Методика определения электрических параметров................................89

2.2.4 Методика исследования газодинамических параметров........................89

2.2.5 Методика исследований температуры и физико-механических свойств покрытий...............................................................................................98

Выводы по главе................................................................................................111

3 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ПЛАЗМЕННОГО

НАНЕСЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ПОКРЫТИЙ В РЕЖИМЕ

МОДУЛЯЦИИ ТОКА ДУГИ ПЛАЗМОТРОНА..................................................112

3.1 Описание процессов однофазной плазменной струи...............................115

3.2 Описание поведения дисперсной фазы в плазменной струе...................130

3.2.1 Концептуальная модель плазменной струи на основе метода дискретных элементов.......................................................................................139

3.3 Модельное представление тепловых процессов в детали при плазменном напылении с дополнительным использованием

выносной дуги в режиме модуляции.................................................................145

3.3.2 Описаание теплового режима плазменного нанесения

и упрочнения детали..........................................................................................147

3.3.3 Математическая модель локальных тепловых процессов в местах привязки выносной дуги к поверхности детали в режиме модуляции........161

3.4 Описание комбинированных процессов нанесения и упрочнения плазменных покрытий термо- и электромеханической обработкой...............168

3.4.1 Составляющие подвода и отвода тепла..................................................173

3.4.2 Формализация теплоподвода в электрической цепи

«ролик-деталь»..................................................................................................175

3.4.3 Представление теплоподвода за счет механической энергии

трения Qjp и деформации поверхности Qsl от обкатывающего ролика........182

3.4.4 Тепловые эффекты Пельтье и Томсона..................................................183

3.4.5 Представление теплоотвода из зоны ЭМО покрытия...........................184

3.4.6 Описание теплоподвода к покрытию от плазменной струи................185

3.4.7 Концептуальная модель комбинированных процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий на основе метода

дискретных элементов.......................................................................................189

3.5 Формализация системы охлаждения поверхностей и деталей в процессах плазменного нанесения и упрочнения покрытий...........................197

3.5.1 Представление и алгоритм расчета охлаждения подложки экранированием поперечной водно-аэрозольной струей..............................198

3.5.2 Алгоритм расчета охлаждения подложки водно-аэрозольной

струей..................................................................................................................200

Выводы по оценке эффективности математических моделей......................203

4 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ПОКРЫТИЙ.................................................................................206

4.1 Особенности математического моделирования процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий..............................................206

4.2 Расчет пульсаций давления и уровня волн в плазменной струе при модуляции мощности плазмотрона.....................................................................207

4.3 Расчет параметров напыляемых частиц в плазменной струе при модуляции мощности плазмотрона.....................................................................210

4.4 Расчет температурного поля на поверхности детали...............................213

4.4.1 Анализ влияния факторов плазменного нанесения и упрочнения покрытий на равномерность поля температур поверхности детали............218

4.4.2 Выбор параметров импульсной модуляции мощности выносной дуги, обеспечивающей проплавление покрытия в локальных зонах её привязки..............................................................................................................229

Выводы по результатам математического моделирования и расчетов........232

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ПОКРЫТИЙ....................236

5.1 Исследование электрических параметров.................................................236

5.2 Исследование газодинамических параметров..........................................251

5.3 Исследование влияния модуляции выносной дуги на физико-механические и триботехнические свойства покрытий...................................257

5.3.1 Изучение температурного поля детали для процесса плазменного напылении в режиме модуляции выносной дуги...........................................257

5.3.2 Изучение пористости покрытий..............................................................258

5.3.3 Металлография и рентгеноструктурный анализ покрытий.................259

5.3.4 Исследование физико-механических и триботехнических

свойств плазменных покрытий.........................................................................261

5.3.5 Результаты усталостных испытаний.......................................................267

5.4 Исследование плазменных покрытий, упрочненных электромеханической обработкой.......................................................................269

5.4.1 Изучение температуры основы...............................................................269

5.4.2 Исследования физико-механических и триботехнических свойств

покрытий.............................................................................................................269

5.4.3 Исследование твердости и микротвердости покрытия.........................271

5.4.4 Исследование пористости покрытия......................................................272

5.4.5 Металлографический и рентгеноструктурный анализ покрытий.......272

5.4.6 Исследование предела выносливости покрытий...................................274

5.4.7 Исследование износостойкости покрытий.............................................276

Выводы по главе................................................................................................277

6 РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ПОКРЫТИЙ С МОДУЛЯЦИЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ.....................................................................282

6.1 Технологические возможности плазменного нанесения покрытий

в режиме модуляции электрических параметров.............................................282

6.2 Оборудование...............................................................................................285

6.3 Общие положения технологических процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий с использованием модуляции электрических параметров...................................................................................287

6.4 Типовой технологический процесс плазменного нанесения

покрытий с модуляцией электрических параметров плазмотрона.................290

6.5 Стадии технологического процесса плазменного нанесения покрытий в режиме модуляции электрических параметров...........................296

6.6 Результаты стендовых испытаний упрочненных деталей.......................298

6.7 Рекомендации по выбору режимов плазменного напыления с модуляцией тока дуги плазмотрона....................................................................299

6.7.1 Общие положения.....................................................................................299

6.7.2 Алгоритм выбора теплового режима плазменного напыления...........301

6.7.2 Технологические рекомендации ПНУМ................................................305

Выводы по главе................................................................................................312

7 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ И ВОЗМОЖНОСТИ ПРОЦЕССОВ ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ПОКРЫТИЙ С МОДУЛЯЦИЕЙ ПАРАМЕТРОВ................................................315

7.1 Технологические перспективы процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий...................................................................315

7.3 Реализация технологического управления качеством плазменных

покрытий................................................................................................................321

7.3.1 Результаты эксплуатационных испытаний деталей с плазменными покрытиями............................................................................323

Выводы по главе................................................................................................327

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ...........................................................328

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И ТЕРМИНОВ..........................................................................................................332

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................................337

ПРИЛОЖЕНИЕ А (справочное) ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ПОКРЫТИЙ С МОДУЛЯЦИЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ.......................................362

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (справочное) РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ И ДЕТАЛЕЙ С ПОКРЫТИЯМИ И МАТЕРИАЛЫ РАЗРАБОТОК, ПЕРЕДАННЫЕ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ..............................367

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы и степень её разработанности. В различных отраслях промышленности используются высоконагруженные машины и агрегаты, и обеспечение заданного ресурса их деталей в экстремальных условиях эксплуатации малозатратными средствами является важной задачей государственного значения, соответствующей критическим технологиям получения и обработки конструкционных наноматериалов. Долговечность большого количества машин и механизмов определяется износостойкостью поверхностных слоев их деталей. Одной из важнейших проблем для данных деталей является повышение их ресурса высокоэффективными средствами, при этом даже относительно небольшое повышение износостойкости таких деталей дает значительный экономический эффект.

Одним из наиболее прогрессивных и эффективных направлений создания деталей с заданными свойствами на их рабочих поверхностях является нанесение защитных покрытий. Среди различных методов нанесения покрытий одной из наиболее целесообразных является группа газотермических методов. В данной группе одним из наиболее эффективных и универсальных является метод плазменного напыления. Имеющиеся способы совершенствования плазменного напыления, направленные на повышение эффективности установившегося процесса нанесения покрытий, почти исчерпаны и ограничены недостаточным уровнем физико-механических и триботехнических свойств покрытий, подверженных высоким динамическим знакопеременным, а также ударным эксплуатационным нагрузкам. Отдельные работы посвящены исследованиям совершенствования плазменного напыления методами динамизации процессов с помощью акустического воздействия на плазменную струю (ГНУ «Институт тепло- и массообмена» HAH Беларуси) и пульсирующей мощности выносной дуги в (СГПУ, г. Санкт-Петербург, МГТУ им. Н. Э. Баумана). Вместе с тем, остались неизученными вопросы теоретического описания процессов при мо-

дуляции параметров плазменного напыления и методического обоснования их оптимизации.

В связи с вышеизложенным, научной проблемой, решаемой в работе, является создание теоретических и методических основ интенсификации газодинамических процессов и управления тепловыми процессами плазменного нанесения с упрочнением покрытий на основе использования модуляции электрических параметров и комбинированного воздействия с электромеханической обработкой на формирование покрытия при его нанесении, обеспечивающих оптимальные технологические условия для получения заданного качества металлических износостойких покрытий деталей машин.

Диссертация выполнялась в рамках научно-исследовательских работ в соответствии с координационным планом ГКНВШ РФ по комплексной научно-технической программе «Восстановление» при содействии Саратовского технического университета в 1991-1995 гг. и в рамках продолжающегося с 2011 г. научного проекта ДРПННиТ НИР:7.4045.2011 по заданию Министерства образования и науки РФ в соответствии с современным состоянием и перспективами развития научно-технического комплекса страны по созданию эффективных покрытий с высокими физико-механическими и триботехническими характеристиками.

Целью работы является разработка теоретических основ и новых технологий плазменного нанесения с упрочнением покрытий, основанных на динамизации процессов модуляцией электрических параметров, обеспечивающей получение высококачественных износостойких покрытий за счет управления скоростью движения и нагрева частиц напыляемого материала и теплового воздействия на деталь с покрытием.

Для достижения поставленной цели определены и решены следующие основные задачи:

1 Разработать теоретические основы технологического обеспечения и принципы системы управления динамикой процессов плазменного нанесения с

упрочнением высокопрочных износостойких металлических покрытий.

2 Разработать математические модели, описывающие системы: «дуга -плазменная струя - напыляемые частицы» при плазменном напылении с модуляцией электрических параметров косвенной дуги плазмотрона; «плазменная струя - покрытие - основа» при плазменном нанесении покрытий с модуляцией электрических параметров прямой дуги плазмотрона; «покрытие - основа» при комбинированном процессе совместного плазменного нанесения и упрочнения покрытий термо- и электромеханической обработкой.

3 Используя физическое и математическое моделирование определить закономерности влияния электрических параметров модуляции (амплитуды, длительности и формы импульсов мощностей дуг, частоты модуляции) на газодинамические (скорость и температуру частиц напыляемого материала) и теп-лофизические критерии (поле температур в покрытии с основой) процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий. На основе установленных закономерностей и моделей указать оптимальные области факторного пространства по предложенным критериям.

4 Разработать экспериментальный комплекс оборудования, позволяющий осуществлять процесс плазменного нанесения с упрочнением покрытия, используя модуляцию электрических параметров и термо- или электромеханическую обработки покрытий.

5 На основе экспериментальных исследований определить закономерности влияния параметров модуляции (амплитуды, длительности и формы импульсов мощностей дуг и частоты модуляции) в процессах плазменного нанесения с упрочнением металлических износостойких покрытий на их физико-механические и триботехнические критерии качества.

6 На базе разработанных теоретических основ создать технологическое обеспечение динамизации процессов плазменного нанесения с упрочнением, осуществляемой модуляцией электрических параметров, высокопрочных износостойких металлических покрытий для разнопрофильных поверхностей дета-

лей машин и систему управления динамикой этих процессов.

7 Создать методологию проектирования технологических процессов плазменного нанесения и упрочнения износостойких покрытий, обеспечивающую повышение энергетического уровня частиц напыляемого материала, а также равномерность распределения температурного поля детали и локальных зон проплавления покрытия на основе: оптимизации газодинамических и тепловых процессов; управления их динамикой с помощью модуляции электрических параметров плазмотрона; алгоритмов технологического обеспечения показателей качества покрытий с учётом параметров детали и покрытия и эксплуатационных нагрузок на его поверхности.

8 Разработать новый патентноспособный технологический процесс плазменного нанесения износост�