Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ методов повышения качества плазменных покрытий 11
1.1 Основные закономерности и особенности формирования покрытий при напылении. Пути совершенствования процессов плазменного напыления покрытий 11
1.1.1 Особенности напыления порошковых материалов 22
1.1.2 Физико-химические и механические процессы при распылении расплавов 30
1.1.3 Особенности напыление с использованием прутковых материалов 35
1.2 Регулирование адгезионных и структурных характеристик покрытий при помощи внешних энергетических воздействий 38
1.2.1 Ультразвуковое распыление расплава 38
1.2.2 Напыление с воздействием ультразвука на покрытие 40
1.2.3 Напыление с воздействием ультразвука на струю плазмы и частиц 45
1.2.4 Напыление с сообщением ультразвуковых колебаний изделию... 50
1.3 Выводы 56
1.4 Задачи исследований 57
Глава 2 Исследование возможности повышения однородности частиц в потоке при их образовании путем ультразвукового распыления первичной капли напыляемого материала 58
2.1 Формирование размеров расплавленных частиц в скоростном газовом потоке и их однородность 58
2.2 Модель формирования размеров частиц при их образовании ультразвуковым распылением расплавленной части пруткового материала 59
2.2.1 Кинетика плавления и ультразвукового распыления расплавляемого материала 59
2.2.2 Влияние основных технологических режимов напыления на размеры частиц в потоке
2.3 Выводы 75
Глава 3 Экспериментальные исследования процесса плазменного напыления покрытий при распылении пруткового материала с воздействием ультразвука 76
3.1 Методика экспериментальных исследований 76
3.1.1 Разработка плана экспериментов. Методы обработки результатов
3.1.2 Построение эмпирических моделей 79
3.1.3 Экспериментальное оборудование. Исследуемые материалы и оснащение 81
3.2 Физическое моделирование процесса напыления с воздействием ультразвука на прутковый материал 84
3.3 Исследование морфологии и структуры плазменных покрытий 87
3.3.1 Гранулометрический состав напыляемых порошков и частиц образованных ультразвуковым распылением 87
3.3.2 Влияние ультразвуковых колебаний распыляемого пруткового материала на однородность агломератов первого слоя покрытия 92
3.3.3 Исследование морфологии поверхности и пористой структуры покрытий 110
3.3.4 Влияние ультразвуковых колебаний распыляемого пруткового материала на однородность и величину адгезии покрытий 125
3.4 Выводы 127
Глава 4 Технологические рекомендации по плазменному напылению с воздействием ультразвука на распыляемый прутковый материал 128
4.1 Управляющие переменные процесса 128
4.2 Определение скорости подачи пруткового материала в плазменную струю 129
4.3 Рекомендуемые технологические режимы плазменного напыления покрытий при воздействии ультразвука на прутковый материал 136
4.4 Выводы 140
Глава 5 Практическая реализация результатов исследований 141
5.1 Рекомендуемые объекты внедрения разработанного способа напыления
5.2 Устройство подачи пруткового материала в поток плазмы 142
5.3 Оценка ожидаемой технико-экономической эффективности процесса 144
Заключение 153
Литература 155
Приложения. Акты внедрения
- Особенности напыления порошковых материалов
- Модель формирования размеров частиц при их образовании ультразвуковым распылением расплавленной части пруткового материала
- Разработка плана экспериментов. Методы обработки результатов
- Определение скорости подачи пруткового материала в плазменную струю
Введение к работе
Актуальность работы. Развитие современного транспорта, машино- и приборостроения, а также медицинской техники и товаров народного потребления характеризуется все возрастающим применением новых конструкционных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Проблема ограниченности природных запасов большинства химических элементов, составляющих основу этих материалов, решается путем применения сложных структур, в которых основа выполнена из «обычных» легко обрабатываемых и широко распространенных компонентов, а функциональную нагрузку выполняет покрытие из материалов с заданным комплексом свойств. В настоящее время наиболее эффективными методами формирования таких покрытий являются процессы газотермического напыления, среди которых плазменное напыление можно считать наиболее универсальным и легко управляемым. Технологические преимущества плазменного напыления, заключающиеся в возможности получения из различных, в том числе и композиционных, материалов покрытий разной плотности, толщины и твердости, с требуемыми защитными, газодиффузионными и другими свойствами, реализуются благодаря работам Рыкалина Н.Н., Кудинова В.В., Харламова Ю.Н., Лясникова В.Н. и других отечественных и зарубежных ученых, заложивших научные основы формирования, технологического регулирования и исследования свойств покрытий, создания специального оборудования для напыления в воздушной, нейтральной атмосфере, и динамическом вакууме.
Однако плазменное напыление является стохастическим процессом, вследствие чего покрытия обладают существенной неоднородностью свойств. Совершенствование техники, в особенности электронного и авиационного приборостроения, создание современных авиаракетных и автомобильных двигателей, гидро- и пневмоаппаратуры, медицинских изделий со специальными биомеханическими характеристиками, требует значительного повышения качества изделий с покрытиями, определяемого в большинстве
6 случаев однородностью характеристик покрытия, которую весьма сложно
достичь при использовании существующих методов напыления.
Известные методы повышения однородности отдельных характеристик покрытий путем воздействия газоразрядной плазмы, пульсаций плазменной струи, совершенствования кинематики процесса, применения экранов не решают проблемы, поскольку направленно воздействуют только на один параметр покрытия или сами являются трудно управляемыми процессами.
Исследования Клименова В.А., Бекренева Н.В., Серянова Ю.В. по воздействию ультразвука на покрытие и поверхность основы в процессе напыления показали перспективность применения этого метода для выравнивания пористой структуры и морфологии покрытия. Однако при воздействии ультразвука на поверхность основы не обеспечивается получение вполне однородных покрытий на изделиях типа газодинамических опор, дентальных имплантатов и т.д., вследствие неоднородности параметров исходных напыляемых частиц. Очевидно, что наибольший эффект может быть достигнут при формировании изначально однородного потока частиц, имеющих одинаковые размеры, одинаковую степень проплавлення и близкую скорость полета. Для этой цели также можно использовать ультразвуковое воздействие, как достаточно просто управляемый и неэнергоемкий процесс. Теоретическое и экспериментальное обоснование использования ультразвука для формирования потока одинаковых по параметрам частиц при плазменном напылении в настоящее время практически не разработано. Поэтому тема диссертационной работы с учетом выше изложенного является актуальной для науки и практики.
Цель работы заключается в повышении качества металлических плазменных покрытий за счет формирования однородного потока частиц путем распыления пруткового материала, помещенного в струю плазмы, при помощи ультразвука и разработке технологического процесса напыления.
Поставленная цель достигается последовательным решением следующих задач;
Анализ существующих методов повышения эффективности процесса электроплазменного напыления, в том числе в ультразвуковом поле, и разработка наиболее эффективной схемы воздействия ультразвука на параметры напыляемых частиц.
Разработка математической модели, адекватно описывающей связь размеров частиц со свойствами материала и режимами напыления.
Теоретическое и экспериментальное исследование факторов, наиболее сильно влияющих на форму и размеры частиц, а также на свойства покрытия.
Разработка технологического процесса, обеспечивающего повышение равномерности микрорельефа и пористой структуры покрытия, а также технических предложений по созданию устройства обеспечивающего реализацию процесса на практике.
Внедрение результатов исследований.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
Найденная закономерность образования потока одноразмерных частиц в плазменной струе при ультразвуковом воздействии позволяет формировать покрытия с минимальным разбросом параметров в зависимости от материала.
Полученное соотношение параметров технологического процесса электроплазменного напыления с наложением ультразвука обеспечивает заданные свойства покрытия, при этом однородность микрорельефа покрытия, оцениваемая по среднеквадратичному отклонению высоты элементов шероховатости и их шага, возрастает в 1,3 — 1,89 раза по сравнению с распылением пруткового материала и до 9 раз по сравнению с использованием для напыления порошковых материалов.
Предложенный способ электроплазменного напыления металлических покрытий, при котором покрытие формируют потоком частиц, образующихся путем распыления пруткового материала, расплавляемого в струе плазмы, отличается тем, что распыление осуществляют за счет сообщения ему ультразвуковых колебаний, обеспечивает уменьшение разброса параметров покрытий (дисперсия размеров частиц в потоке снижается в 2,8 раза, а
агломератов - в 4,5 раза) по сравнению с напылением порошковых материалов и с газоструйным распылением прутка.
4. Найденные математические выражения позволяют адекватно установить корреляцию между размерами частиц, свойствами материала, режимами электроплазменного напыления и ультразвукового воздействия и вполне пригодны для феноменологического описания процесса.
Методы и средства исследований. При выполнении работы использованы научные основы плазменного напыления, основные положения термодинамики и теплопередачи, газоструйного и акустического распыления расплавов. Эксперименты проведены, а их результаты обработаны с применением методов математического планирования и регрессионного анализа. Использована стандартная (микроскопы МИМ-8, МИМ-7, профилограф 170111, компьютерный анализатор изображений микроструктур АГПМ-6) и оригинальная разработанная автором аппаратура для сообщения материалу ультразвуковых колебаний и подачи его в струю плазмы. Обработка результатов на компьютере Pentium-4 выполнена с использованием программ Advanced Grapher, Regress и 3D Grapher.
Научная новизна:
Предложен новый способ электроплазменного напыления металлических покрытий, отличающийся тем, что распыление части пруткового материала, расплавляемого плазменной струей, осуществляют за счет сообщения прутку ультразвуковых колебаний, что позволяет уменьшить разброс параметров покрытия по сравнению с другими способами напыления.
Найдены оптимальные параметры процесса электроплазменного напыления, обеспечивающие формирование однородного потока частиц в струе плазмы и покрытия с минимальным разбросом параметров.
Предложена феноменологическая модель, адекватно описывающая физические процессы образования напыляемых частиц в плазме дугового разряда при ультразвуковом воздействии на распыляемый прутковый материал.
Установлено, что наибольшее влияние на размеры частиц, формирующихся в условиях ультразвукового воздействия, оказывает ток дуги плазмотрона и амплитуда ультразвуковых колебаний пруткового материала, а также расстояние от торца плазмотрона до оси прутка. Получены эмпирические зависимости, позволяющие определить влияние этих факторов на размеры частиц.
Показано, что при электроплазменном напылении с ультразвуковым воздействием на прутковый материал его свойства мало влияют на размеры частиц.
Получено математическое выражение, позволяющее определять скорость подачи материала в струю плазмы и предельную скорость плазмообразующего газа для различных напыляемых материалов.
Практическая ценность:
Даны практические рекомендации по реализации разработанного процесса электроплазменного напыления с ультразвуковым воздействием на прутковый материал.
Разработаны технические предложения по созданию устройства, реализующего технологический процесс электроплазменного напыления с ультразвуковым воздействием на прутковый материал.
Технологический процесс внедрен в НПА «Плазма Поволжья» на операции электроплазменного напыления системы переходных слоев от компактного титана к высокопористому покрытию на дентальных имплантатах. Плавное изменение пористости структуры и размеров агломератов за счет формирования заданных размеров частиц ультразвуковым распылением позволило увеличить адгезию биопокрытий на 10 * 15 % и повысить ее равномерность. Из расчета выпуска 10000 изделий в год ожидаемый годовой экономический эффект составит: 516980 руб.
Технологический процесс и предложения по созданию ультразвукового устройства подачи могут быть внедрены в ОАО НИТИ-Тесар при
изготовлении устройств специального оборудования для повышения их износостойкости.
Материалы исследований в части основных зависимостей электроплазменного напыления с воздействием ультразвука на распыляемый прутковый материал и результатов экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс на кафедре «Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки» Саратовского государственного технического университета в виде одного из разделов учебного пособия «Высокоэффективные процессы обработки материалов и нанесения покрытий концентрированными потоками энергии» в 2004 г.
Апробация работы. Материалы диссертации представлялись в виде докладов на 6-й международной конференции «Современные проблемы имплантологии» (Саратов 2002г.), на конференции молодых ученых «ЗМНТК - 2003» (Ульяновск 2003г,), на всероссийских научно-технических конференциях «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, 2003 и 2004г.г.), на X Российской научно-технической конференции с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 2003 г.), на конференции с международным участием «Вакуумная наука и техника - 2004» (МИЭМ, Москва 2004г.).
Результаты работы использованы при выполнении исследований по «Областной адресной инвестиционной программе на 2004г.» и российской программе «Развитие информационных ресурсов и технологий. Индустрия образования» 2004г.
II Глава 1
Особенности напыления порошковых материалов
Наиболее общими причинами, определяющими свойства напыленных материалов согласно данным исследований [34] являются следующие: 1) воздействие окружающей среды на напыляемый материал; 2) пониженная прочность сцепления на границах между частицами и слоями покрытия, нанесенными за один проход, возникающая вследствие неполного схватывания и повышенного содержания оксидов, пор и других включений в пограничных областях; 3) образование пористости в результате газовыделения и кристаллизации частиц и возникновение выплесков материала при ударе частиц о подложку; 4) изменение строения материалов вследствие фазовых превращений и появления пересыщенных и нестехиометричных структур с присутствием аморфной фазы в результате химико-термического воздействия плазменной струи и закалке перегретых расплавленных частиц; 5) возникновение напряжений во всем объеме напыленного материала и в объеме каждой частицы. Согласно современным представлениям, частица может находиться в плазменной струе во множестве различных состояний (рис. 1.1) [65]. Находясь в нагретом и расплавленном состоянии, частицы вступают во взаимодействие с газами, присутствующими в струе плазмы и технологической камере. При этом, согласно [1], возможны 4 механизма взаимодействия: - адсорбция газа на поверхности частиц; - химическое взаимодействие и образование оксидных пленок; - растворение газов в жидкой фазе частиц; - диффузионные процессы и механическое «замешивание» продуктов поверхностного взаимодействия в объем частиц конвективными потоками.
Вследствие этого частица вступает во взаимодействие с подложкой насыщенная различными газами. Соответственно газы присутствуют и в покрытии, образованном отдельными частицами. При этом дополнительный объем газов оказывается «закупоренным» в тупиковых и замкнутых порах покрытий. Наличие газов приводит к взаимодействию с ними материала частиц с образованием гидридов, нитридов, окислов, что отрицательно сказывается на механических характеристиках покрытия. При напылении газопоглощающих покрытий наличие связанных и свободных газов в структуре покрытия вызывает необходимость проведения операции дегазации для их удаления из объема. Поэтому необходимо осуществлять напыление в условиях, обеспечивающих минимальное содержание газов в покрытии.
Частицы saepsoro и второго тп.поь характерны ддя такого режима напылешш. при котором мощность плаамы ледоетагочка н они не прогрелись до температуры плавления, Матагілачеекне к аоііимеріше шастаны ЗЇ Т- ОМ случае наедятся в пдаетианом еосто шии, а дд« керамики к других тугоплавких материалов характерне- оплавление поверхноїЛ и и наличие твердого ядра. Жидкая оооточка стекает при ударе 1 поверхность подложки, а ядрі? остается выехупаюдош олемехтом апюмератт!. Частицк третье;о типа формируются ї-А-:; материала в раепллш;еав.ом состоянии ори напкп-енпв: на подогретую оодлояску или на подложку с невысокой акаюховагоетыо поверхности, когда ничто не препятствует свободному растеканию частицы. Если при этом частицы будут перегреты, а их скорость значительна, то при ударе они расплескиваются с образованием мелких брызг и языков, приобретая неправильную в плане форму (четвертый тип). Частицы пятого типа образуются при напылении в полностью проплавленном состоянии на подложку с хорошим теплоотводом и высокой шероховатостью поверхности. В этом случае периферийная зона частицы будет тормозиться элементами микрорельефа подложки и интенсивно кристаллизоваться. Верхние центральные слои частицы, будучи еще в расплавленном состоянии, будут продолжать вытесняться за счет сил инерции и натекать на застывшую периферийную зону, образуя валик. Если к тому же скорость частиц будет значительной, то большая часть материала будет вытеснена к периферии, высота валиков возрастет и частица приобретет форму тора (шестой тип).
Ввиду указанных причин плазменные покрытия имеют значительный разброс функциональных свойств [1,35]: адгезии, пористости, удельной поверхности, сорбционно-десорбционных и эмиссионных свойств и т.п. Поэтому изучению комплекса зависимостей в системе плазменная струя — технология получения - свойства покрытия посвящено много работ [36,37,66,67].
Среди комплекса различных физико-химических и механических свойств плазменных покрытий имеющими особо важное значение независимо от назначения последних являются прочность сцепления с подложкой (адгезия) и пористость. Эти свойства, как следует из вышеизложенного, во многом определяются характером структуры, получившейся при формировании покрытия. Следовательно, регулированием структуры можно добиться требуемых значений адгезии и пористости и, в конечном итоге, стабильности эксплуатационных характеристик рассматриваемых групп покрытий.
Адгезии и пористости плазменных покрытий посвящен значительный объем исследований [43,49,54,68]. Проанализируем их основные результаты. Установлено, что все зависимости от основных технологических факторов: тока дуги, дистанции напыления и дисперсности напыляемого порошка носят нелинейный характер, причем указанные факторы влияют на различные материалы покрытий по-разному. Если для оксида алюминия экстремум имеет зависимость адгезии от дистанции напыления, то для титана явные экстремумы имеют зависимости адгезии от тока дуги и дисперсности напыляемого порошка. С увеличением дистанции напыления адгезия титана монотонно убывает. Наибольшую адгезию имеют покрытия из окиси алюминия, полученные при токах дуги 500 А и более, очевидно это связано с тугоплавкостью материала, который при больших токах оказывается более проплавленным. Все материалы имеют сходный характер зависимости адгезии от толщины покрытия: с ее увеличением адгезия монотонно убывает. Установлено также заметное влияние времени отдыха материала подложки после предварительной обработки на величину адгезии. С увеличением времени отдыха до 9 -+ 11 часов адгезия резко падает.
В работе [69] изучалось влияние дистанции напыления, тока дуги и дисперсности порошка на интегральные параметры пористости, распределение пор по размерам, удельную поверхность и адгезию. Также [70] изучалось плазменное напыление титановых и гидроксиапатитовых покрытий на стоматологические имплантаты — искусственные зубные корни. Рассматривалось влияние дистанции напыления и размера частиц на шероховатость поверхности и пористую структуру. Были получены регрессионные зависимости, определено общее качество покрытий с точки зрения биосовместимости имплантатов. В работе [71] получены математические модели адгезии, бипористой структуры покрытий, установлен эффект термоударного дробления частиц в потоке плазмы, проведена многопараметрическая оптимизация. Однако в этих работах не решен вопрос повышения равномерности адгезии по поверхности основы и пористой структуры, что весьма важно для работоспособности изделий.
Общие закономерности влияния дисперсности порошка, толщины покрытия, дистанции напыления и тока дуги на адгезию покрытия в случае напыления их в контролируемой среде с предварительной ионно-плазменной очисткой подложки остаются теми же, что описанные выше. Только максимальное значение адгезии оказывается большим почти в 1,5 раза [44,49].
Хотя адгезия покрытий может считаться основной характеристикой процесса напыления [49], только ее использование для оценки качества покрытий нецелесообразно, поскольку в настоящее время количественно адгезия контролируется в основном разрушающими методами и не может быть применима для контроля реальных изделий. Критериями качества покрытия, не требующими его разрушения, могут быть толщина покрытия, плотность, пористость, шероховатость.
Модель формирования размеров частиц при их образовании ультразвуковым распылением расплавленной части пруткового материала
Известно, что при распылении струи расплава более интенсивное и упорядоченное дробление струи жидкости обеспечивает наложение на нее высокочастотных колебаний [85,86], Акустическая энергия, подводимая к зоне распыления, может сообщаться слою жидкости непосредственно от колеблющейся поверхности или из глубины жидкости от излучателя направленным па поверхность пучком мощных ультразвуковых волн. Распыление жидкости происходит в результате отрыва капель от гребней стоячих капиллярных волн конечной амплитуды [85]. Под действием ультразвука происходит вторичное дробление крупных первичных капель: капля деформируется, расплющивается, вытягивается в пленку и распадается на мелкие составляющие. Эти мелкие капли попадают в поток газа, где происходит их дальнейшее разрушение под действием скоростного потока.
Решение этого уравнения позволяет определить размер капель жидкости при их движении в ультразвуковом поле. С учетом этого можно предположить, что если сообщить ультразвуковые колебания прутку, подаваемому в струю плазмы, то образовавшийся на его торце слой расплава раздробится на мелкие капли, размер которых согласно [86] и, исходя из решения уравнения Буссинеска, будет равен [102]: r = \L л г— (2-2) где i - динамическая вязкость; а - поверхностное натяжение; А - амплитуда колебаний прутка; (0=2jzf- круговая частота;/- частота колебаний прутка; р — плотность расплавленного материала прутка. Чтобы выполнялось условие однородности размеров капель-частиц необходимо, чтобы: гк гАм№ [102], где гдисп — минимальный размер частиц, которые диспергируются газовым потоком определенной скорости (см. гл. 1). Схема образования потока частиц представлена на рис.2.1 ирис.2.2. Когда оплавление исходного материала начинается с торца прутка, газодинамическое диспергирование характеризуется величиной образуемой жидкой капли, задаваемой, в свою очередь, силой поверхностного натяжения расплава напыляемого материала, весом капли и ударным импульсом воздействия газовой струи [103].
Из перечисленных факторов для данного напыляемого материала изменяемыми (управляющими) переменными являются Уг (регулируется через расход газа) и dc (регулируется путем замены прутка). Частоту /, очевидно, необходимо изменять, если регулировка амплитуды уже не позволяет достичь требуемого размера капель расплава.
Влияние физических сшистл распыляемого материала (коэффициента распыления) на минимальную амплитуду распыления прутка в ультразвуковом ноле Другим ограничением для использования ультразвукового распыления прутка при плазменном напылении покрытий является предельная толщина слоя расплава на торце прутка. Из теории акустического распыления жидкостей известно два метода: распыление тонкого слоя; распыление фонтана. Второй метод используется в основном в ингаляторах и других случаях, когда применяются маловязкие жидкости. Для его осуществления необходим значительный объем жидкости, в который вводится ультразвук большой интенсивности. При наложении ультразвука на оплавляемый пруток металла эти условия трудно соблюсти. Поэтому в нашем случае следует рассматривать метод тонкого слоя.
Таким образом, определив, исходя из технических требований к покрытию, материал прутка и выбрав его диаметр, можно по (2.9) определить амплитуду колебаний торца прутка, при которой размеры образовавшихся в ходе акустического распыления капель будут меньше критических (то есть не распыляться плазменным потоком). После подстановки полученного значения амплитуды в (2,24) и задавшись требуемым размером частиц d49 можно определить технологические параметры нагрева прутка (Д V, J), при которых будет обеспечиваться формирование на торце прутка расплавленного слоя, требуемой для акустического распыления толщины h. Ниже приведены зависимости диаметра частиц, полученные расчетом по данной модели (рис.2.9-2.11) [106]. При расчетах было принято, что/- 22 кГц, V— 300 м/с; в качестве распыляемого материала прутка выбран титан.
Как видно из графиков, когда пруток находится рядом с плазмотроном, на размер частиц, в основном, влияет ток дуги, при одной амплитуде колебаний прутка и его диаметре. При малых диаметрах прутка, на размер частиц влияет в большей степени расстояние от прутка до среза сопла плазмотрона, также заметно большее влиянле на размер частиц диаметра прутка при меньших расстояниях от него до плазмотрона. Диаметр распыленных частиц уменьшается с увеличением амплитуды ультразвука, причем влияние амплитуды заметнее на малых диаметрах прутка.
Видно, что при распылении материалов с высоким кд (например -титана) минимальные амплитуды при высоких скоростях потока имеют значения, трудно достижимые на практике (более 50 мкм), поэтому очевидно при напылении подобных материалов следует применять излучающие системы, рассчитанные на высокие резонансные частоты (44 кГц и более). При напылении материалов с небольшими кд можно применять частоты применяемого в технике низкого диапазона (18-22 кГц).
Анализируя графики 2.9 - 2.11, можно сделать следующие выводы [106]. При одной и той же амплитуде колебаний прутка и его диаметре ток дуги в наибольшей степени влияет на размер частиц, когда пруток расположен вблизи плазмотрона. Это может быть связано с большим количеством тепла (кпд нагрева выше), поступающим в пруток, вследствие чего увеличивается объем расплава (первичной капли). В свою очередь это приводит к возрастанию толщины расплавленного слоя и изменению размеров распыляемых частиц. Вследствие чего, очевидно, увеличение расстояния до прутка от плазмотрона больше сказывается на величине частиц при больших токах дуги.
Разработка плана экспериментов. Методы обработки результатов
Характерной особенностью процессов газотермического нанесения покрытий является их зависимость от большого количества присущих самому процессу и внешних возмущающих факторов. Многофакторность затрудняет разработку технологий и управление процессом с целью обеспечения стабильности требуемых характеристик детали при ее обработке. Основным наиболее достоверным источником информации об особенностях того или иного процесса до настоящего времени остается эксперимент, позволяющий установить основные связи в системе «свойства обрабатываемой поверхности -технологические режимы обработки» и выделить наиболее значимые из режимных факторов, которые можно использовать для управления процессом. Однако эксперименты, как правило, очень трудоемки, из-за уже упомянутой многофакторности процесса и сопряжены со значительными материальными затратами. Модельные представления позволяют значительно снизить объем экспериментов для получения желаемого результата и спрогнозировать изменение свойств материала при различных отклонениях параметров процесса от заданных, а также изменить пути оптимизации технологических режимов.
Нами исследовался на физической модели процесс напыления покрытий, при котором поток частиц формируется путем ультразвукового распыления расплавляемого плазменной струей материала [109,110]. Данный процесс характеризуется расплавлением плазменной струей подаваемого в нее прутка напыляемого материала с образованием тонкого слоя расплава, распылением данного слоя ультразвуковыми колебаниями прутка с образованием фонтана микрокапель, транспортировкой капель к основе. Если заменить расплавленную часть прутка каплей водного раствора, а поток плазмы — струей воздуха, то получим физическую модель описанного выше процесса напыления, не требующую дорогостоящих и энергоемких источников тока и газовых систем.
Встречаются как макрокапли размером несколько миллиметров, так и микрокаили размером несколько десяткой микрометров. Среднеквадратичное отклонение размеров капель составляет лісі1 =921 мкм. При формировании потека капель из фонтана, образованного ультразвуковым распылением первичной капли, макрокапли не встречаются, поток обратная каплями средних и мелких размеров. При этом минимальный размер капель меньше получаемого при распылении струей газа в 2,5 раза, а максимальный - в 7,56 раза Среднеквадратичное отклонение размеров капель в потоке составляет V r2 -100,17 мкм, что свидетельствует о более чем девятикратном повышении однородности потока частиц. При увеличении плотности первичной капли примерно на 30 % (с 1000 до 1280 к]Ум") наблюдается заметное смещение наибольшего размера капель в сторону меньших размеров.
Уменьшение размеров капель, при возрастании плотности жидкости, связано с тем, что возрастает сопротивление материала протеканию процесса ультразвуковой кавитации и требуется большая энергия для образования в жидкости разрывов, стоячих фонтанов и отрыва от них капель. Поэтому, при сохранении неизменной частоты и амплитуды ультразвука, от основного материала могут отделяться фрагменты меньшего, чем при малой плотности, размера, что соответствует данным исследований [86].
Поскольку металлы в расплавленном состоянии имеют большую по сравнению с водными растворами плотность, можно ожидать еще более значительного эффекта по повышению однородности потока частиц и формированию мелкодисперсных потоков, что благоприятно скажется на структуре, характеристиках покрытий и облегчит управление их свойствами и контроль в процессе напыления.
Сравнение частиц, которые могут быть использованы для плазменного напыления покрытий различными методами, показало существенное различие исходного материала по геометрическим характеристикам [111]. На рис.3,6 представлен внешний вид частиц, используемых для плазменного напыления порошкового материала (а — просеянный титан, в — непросеянный титан), на рис.3.6 б — частицы, образовавшиеся при воздействии ультразвука т первичную каплго рае и л ш\ жилого торца пругка при значении амплитуды колебании 8 мкм.
Вмдпо, чю иорошвеообразные частицы имеют неправильную форму и поверхность со сложной морфологией. Ненравилы-щя форма чретиц может вызвать, из-за НЄОШІШ&ІЇМШХ аэродинамических характер Е-Е СІМ К, отклонения Б траектории движения в потоке шш.чэды; периодическое попадание их в осевые и периферийные области потока- характеризующиеся различной іемпсраtypofi и скоростью газа. Поэтому чаепщы достигают поверхности в различном степени проплавлення и обладая различной скоростью, Оосчшщме часі иц очень sрудно нредск-азачъ из-га уггомянутого их хао шчеет.-om перемещения по струс іиаташ. Кроме тгог о неправильная форма являє SUM причиной неравномерного проплавлення в различном направлении частиц, что также создает различные условия контакта их с поверхностью.
Неправильная форма исходных частиц приводит и к неправильной форме агломератов, образующих покрытие, неоднородной его структуре и морфологии. Вследствие этого покрытие будет формироваться неоднородным но свойствам и структуре.
Частицы, образованные ультразвуковым распылением первичной капли расплава, имеют явно выраженную сфероидную форму. Их поверхность гладкая и блестящая, без видимых нарушений. Такая форма способствует более равномерной траектории движения частиц в потоке, ориентированной в определенной его зоне. То есть изначально попавшие в осевую зону частицы будут двигаться в ней до поверхности детали, аналогично и попавшие в периферийную зону. Поэтому можно с большой достоверностью предсказать свойства частиц, формирующих покрытие. Правильная сфероидальная форма частиц при соударении с поверхностью вследствие деформации под действием ударного и напорного давлении обеспечит им более или менее правильную форму диска, тарелки или тора. Таким образом, следует ожидать более однородной структуры покрытия.
Средний размер непросеянных частиц порошкообразного материала составляет 254 мкм. Их разноразмерность характеризуется следующими параметрами (рис.3.7). Частицы, имеющие форму близкую к симметричной, составляют не более 15 % от общего числа измеренных частиц. Частицы с отклонениями формы до 0,1 составляют 20 %, а с отклонениями 0,2 - 25 %. Остальные частицы имеют отклонения от симметричности от 25 до 300 %? то есть их можно отнести к частицам неправильной формы.
Определение скорости подачи пруткового материала в плазменную струю
Скорость подачи пруткового материала в струю плазмы является весьма важным фактором, определяющим стабильность протекания процесса ультразвукового распыления, и задача по управлению этой скоростью достаточна сложна. Это связано с необходимостью поддерживания постоянной толщины расплавленного слоя, определяемой выражением (2.21), поскольку эта величина влияет на размер частиц и процесс акустического распыления. В нашем случае, когда расплавленный слой на торце прутка распыляется ультразвуковым полем, к множеству внешних и внутренних факторов добавляется и необходимость обеспечения стабильных условий распыления. Как было показано раньше (глава 2) ультразвуковое распыление тонкого слоя возможно только при определенной его толщине, определяемой свойствами распыляемого материала и акустическими параметрами ультразвука. Очевидно, в нашем случае необходимо, чтобы на торце прутка стабильно присутствовал постоянный по толщине слои расплава h.
Поскольку слой жидкости образуется за счет расплавления торца прутка в струе плазмы, то для дальнейшего расплавления необходимо продвижение прутка к оси плазмы при распылении слоя или его части. На практике вышеизложенное означает, что за то время, когда распылится слой &hh пруток должен переместится в сторону распыления материала на величину Дй,+/. таким образом, скорость подачи пруткового материала должна быть равна скорости ультразвукового распыления.
Примем допущение, что выражение (4,1) может описывать и процесс распыления, если щ будет обозначать количество распыленного материала в объеме фонтана, а п - полиостью коагулированные частицы, а фактически -плотность материала.
Однако выражение (4Л8) не учитывает того факта, что в реальном процессе происходит распространение теплового фронта по длине прутка от его свободного торца по законам теплопроводности. То есть толщина слоя h,- с течением времени возрастает и таким образом как бы происходит движение прутка в струю плазмы.
В противном случае толщина слоя расплава будет неуправляемо возрастать и нарушатся условия, обеспечивающие ультразвуковое распыление тонкого слоя. Процесс станет нестабильным. При выполнении условия (4.20), поддержание заданной толщины слоя расплава будет обеспечиваться подачей прутка в струю плазмы со скоростью определяемой выражением (4Л9).
Оценка результатов экспериментальных исследований позволяет сделать вывод, что для всех использованных в экспериментах материалов (сталь, титан, твердый сплав) может быть рекомендовано минимальное значение тока дуги J=(l 30 + 190) А при напряжении U=40 В. В этом случае обеспечивается максимальная эффективность ультразвука по формированию одноразмерных частин в потоке и приемлемая интенсивность потока. Нижние значения рекомендуется выбирать для твердосплавных прутков, поскольку, как следует из данных табл.3,5, в этом случае достигается меньший размер частиц и минимальный разброс их значений. Большие значения выбираются для титана, его сплавов и стали. Значение тока больше 190 А нецелесообразно применять, поскольку свойства покрытий, полученных при таких токах, не подтверждены экспериментально. При расстоянии от прутка до среза сопла плазмотрона равном 20 миллиметров также обеспечивается максимальная эффективность ультразвука, но поток частиц формируется с задержками по времени и недостаточно интенсивен, что вызывает снижение производительности процесса напыления- При расстоянии 5 миллиметров наблюдается чрезмерный разогрев прутка с образованием значительной по размерам первичной капли, распадающейся на крупные фрагменты, в результате чего процесс напыления периодически переходит в струйно-капельную наплавку с образованием покрытия с крайне неоднородным макрорельефом и структурой. По результатам анализа может быть рекомендовано расстояние от прутка до среза сопла плазмотрона 10 миллиметров.
Для всех рассмотренных материалов, как показывают расчеты по (4.31), скорость газового потока, при которой обеспечивается сохранение оптимальной для ультразвукового распыления толщины расплавленного слоя, находится в пределах 50 м/с. При использовании плазмотрона типа ГІ1-5 с диаметром сопла 4 мм это соответствует установленному расходу плазмообразующего аргона 40 л/мин.
Можно считать при указанных параметрах дуги и скорости газа нецелесообразным использование прутков малых диаметров (менее 3 миллиметров), поскольку в этом случае происходит их быстрое плавление и распыление в виде крупных капель. Также прутки малых диаметров мало приемлемы вследствие большей их чувствительности к изменению внешних условий при совершении ультразвуковых колебаний, что снижает стабильность процесса.
1. Установлена предельная скорость газового потока, при которой сохраняется стабильность ультразвукового распыления.
2. Получено выражение для расчета скорости подачи прутка в струю плазмы в зависимости от его диаметра, материала и требуемого размера формируемых капель.
3. Установлены акустические и электротехнологические режимы напыления материалов ВТ1-00, сталь 45, обеспечивающие наибольшую эффективность ультразвука и интенсивность процесса.
