Введение к работе
Актуальность шомы. Защитные и износостойка пок^п-і .* ; обеспечивает возможность создания новых изделия- иомм^а/.ло, сочетающих иысонугс долговечность (і!зносостойность, егн-цчзльк!;': свойства) с достаточной надежностью (трешиностойкостью), псгзы^лют эксплуатационную стойкость деталей машин и инструмента по сравнению со стойкостью, достигаемой известными способами термической обработки; позволяют восстанавливать изношенную поверхность и, следовательно, сниіают потребности п запасных частих.
В промышленности наибольшее применение находит нанесение
покрытий методами газотериического напыления, где одним из
наиболее эффективных методов является плазменное напыление.
Плазменное напыление резко повысило качество газотеркмчесхих
покритий, поскольку появилась возможность в широких масштабах
управлять энергетикой процесса. /
Но. несмотря на определенные успехи, достигнутые в повышении качества понрытиЯ, последние сохраняют основные присущие им недостатки. Главным образом это относится к адгезионной прочности и пористости.
Улучшить начество понрытиЯ позволяет их поспедуюпап термическая обработна, которая в ряде случаев более чек на порядок увеличивает адгезию и практически полностью ликвидирует их пористость.
Проведенный анализ литературных данных поназал, что с точки зрения технологичности процесса из применяемых способов термичесной обработки наиболее рациональна плазмоструйная термообработка. В данном случае возможна обработна любых материалов и не требуется дополнительное дорогостоящее оборудование. Кроме того, использогание в качестве концентрированного источнина Энергии плазменной струи позволяет в широких пределах управлять температурно- временными параметрами процесса обработки напыленных покрытий.
Но существенным недостатком ппазмоструПного нагрева является
то, что промышленные напылительные плазмотроны имеют пысоную скорость истечения плазменной струи (расчитаны на работу в турбулентном режиме). Таким образом, при работе на малой дистанции из-за высоного динамичесного нзпора плазменной струи на напыленную поверхность может происходить нарушение слоя покрытия; при увеличении же дистанции очень сложно прогреть обрабатысаемую поверхность, тан кан у напылительных плазмотронов из-за высокого уровня турбулентности струи протяженность ее высокоэнергетичесной зоны невелина. В связи с этим, перспективна термичесная обработна покрытии высоноэнтальпийной ламинарной струей плазмы, имеющей небольшое динамическое воздействие на обрабатываемую поверхность.
Исходя из вышеизложенного, разработка и исследование плазменной техники и технологии плазменной термообработки покрытий представляется актуальной научно-технической задачей.
Тематика диссертационной работы входит в планы научно-исследовательских работ Института теплофизики СО РАН и Новосибирского института инженеров водного транспорта.
Цель работы и задачи исследования. Целью работы являлось разработка и исследование высокоэффективного ламинарного плазмотрона и оптимизация технологии плазмоструйной обработни газотермнчесних покрытий.
Для достижения поставленной цепи был необходим номпленсный анализ единой системы «плазмотрон-струя-подложна». В частности, потребовалось решение следующих задач:
-
Рааработна , плазмотрона для термообработни газотермичесних покрытий, позволяющего реализовать ламинарный режим истечения струи, и исследование его интегральных характеристик.
-
Исследование температурной, скоростной и концентрационной неоднородностей плазменных струй, генерируемых разработанным плазмотроном в зависимости от его режимных параметров и геометрической конфигурации выходного сопла-анода.
-
Исследование теплообмена гомогенной струи плазмы с плоской преградой, установленной нормально к потоку, с целью оптимизации параметров плазмотрона и процесса термообработни понрытий.
-
Разработка методини оценки режимных параметров плазмоструйной термообработки газотермичесних покрытий.
5.Исследование влияния температурно- временных параметров процесса
ппазмоструИноИ термообработки газотермических покрытий на характеристики номпозита «сталь- покрытие».
Автор защищает:
-разработанный плазмотрон для термообработки газотермических покрытий и результаты исследовании его интегральных харантеристин;
результаты исследований параметров плазменных струй, генерируемых уназанным плазмотроном;
результаты исследовании теплообмена струи плазмы с нормально- установленной преградой;
результаты исследований струнтуры и физико-механичесних харантеристин номпозита «ст"пь-покрытие» после ппазмоструИноИ обработки.
Научная новизна:
-разработан элентродуговой плазмотрон для термообработни газотермичесних понрытий, расчитанный на работу в ламинарном режиме, и проведено исследование его интегральных характеристик;
- проведены исследования влияния условий ввода плазмообразующего
газа в канал плазмотрона, геометричесной конфигурации его
выходного сопла-анода и режима течения в канале на параметры
гомогенной струи плазмы;
-обнаружено влияние несоосности натода и канала плазмотрона на характер анодной привязки дуги;
обнаружена возможность возникновения одностороннего отрыва пограничного слоя на ципиндричесном участке нанапа d области анодной привязки дуги;
проведены исследования влияния режимных параметров плазмотрона и геометричесной конфигурации выходного электрода на теплообмен струи плазмы с нормально- установленной преградой;
экспериментально подтверждено, что с наибольшей сосредоточенностью и эффективностью передача энергии от гомогенной струи плазмы н нормально-установленной преграде осуществляется в области ламинарного режима течения;
установлены инженерные аппронсимационные зависимости, связывающие параметры теплового потока от струи плазмы и
нормально-установленной преграде с режимными параметрами процесса з области ламинарного и переходного режимов течения струи;
разработана методика оценки режимных параметров плазмоструйноИ термообработки газотермических понрытий;
проведены исследования влияния температурно-временных параметров процесса плазмоструйноИ термообработки гаэотермичесних понрытий на формирование структуры номпозита «сталь-покрытие»;
-определены физино- механические характеристики покрытий, обработанных плазменной струей в оптимальном, с точки аренип температурно- временных параметров, режиме.
Достоверность полученных результатов обоснована анализом погрешностей измерении; использованием известных и хорошо апробированных методов; а также подтверждением полученных результатов различными методами.
Практическая ценность работы заключается в разработке и исследовании достаточно экономичного и технологичного метода термического воздействия на напыленные покрытия, позволяющего регулировать в широком диапазоне параметры процесса (температура и скорость нагрева) для обеспечения высокой конструкционной прочности получаемого композ"^а. Проведенные в диссертационной работе исследования испольаоьчны при создании специализированной технологической установни «Винт- 1», предназначенной для плазменного напыления и последующей плазмоструйноИ термообработки покрытии на гребных винтах. Разработанный плазмотрон для термообработки газотермических покрытий является базовые плазмотроном указанной установки.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результать работы докладывались и обсуждались на XXVIII-XXXI 'Лаучно-технических конференциях профессорско-преподавательского составе НИИВТа и Западно-Сибирского НТО водного транспорта (Новосибирск, 1986- 1939, 1991 г. г. ); семинарах Института теплофизини СО РАН; X] Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазм* (Новосибирск, 1989 г. ); Международном рабочем совещании «Плазменные струи в развитии технологий новых материалов» (Фрунзе, 3-і сентября 1990 г. ); 2-ом Европейском конгрессе п<
плазмо-термическим процессам (Париж, 7-10 сентября 1992 г. ).
Публикации. Основные результаты исследования опубликованы в 7 работах, одна работа находится о печати.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Содержание изложено на 196 страницах машинописного тенета, включая 60 страниц иллюстраций и таблиц, а танчяе списон цитируемой литературы из 108 наименовании.