Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы нанесения защитно-декоративных покрытий 12
1.1. Состояние исследований по формированию защитно-декоративных покрытий 12
1.2. Вакуумные методы нанесения покрытий 13
1.3. Анализ газотермических и газодинамических методов нанесения покрытий 16
1.3.1. Газопламенные методы нанесения покрытий 16
1.3.2. Технология холодного газодинамического напыления (ХГН) 21
1.3.3. Элекгродуговые методы нанесения покрытий 22
1.3.4. Детонационные методы нанесения покрытий 24
1.3.5. Плазменные методы нанесения покрытий 26
1.4. Основы теории и технологические процессы плазменного напыления порошковых материалов 33
1.4.1 Влияние конструктивных особенностей плазмотрона 35
1.4.2. Параметры, определяющие режим работы плазмотрона 35
1.4.3. Внешние параметры в процессе напыления 37
1.4.4. Общая характеристика и длина плазменных струй 40
1.4.5. Температура и скорость плазменной струи па срезе сопла плазмотрона 42
1.5. Выводы. Цели работы и постановка задач 43
2. Анализ процессов в условиях плазменной технологии нанесения защитно-декоративных покрытий 47
2.1. Обоснование и выбор базовой конструкции воздушно-дугового плазмотрона 47
2.2. Теплофпзические параметры дугового разряда 53
2.2.1. Концепция математической модели процессов, протекающих в плазмотроне 53
2.2.2. Граничные условия для дуги в канале плазмотрона и для плазменной струи 58
2.3. Численный метод совместного решения нелинейных дифференциальных уравнений 60
2.4. Результаты расчета распределения температуры, давления и векторов скоростей потока плазмы в технологическом пространстве 64
2.5. Расчет скорости движения и нагрева частиц порошков на основе меди в плазменной струе 69
2.5.1. Исходные данные для расчета 69
2.5.2. Движение одиночной частицы в плазменной струе 72
2.5.3. Нагрев одиночной частицы в плазменной струе 76
2.5.4. Результаты расчета 78
2.6. Расчет движения и нагрева потока частиц порошков на основе меди в процессе плазменного напыления 80
2.6.1. Взаимодействие потока частиц и плазменной струи 81
2.6.2. Модель слоя частиц, «возникающих» в плазме 82
2.6.3. Результаты расчета 83
2.7. Выводы 86
Глава 3. Методика проведения исследований 89
3.1. Экспериментальное оборудование 89
3.2. Обоснование и выбор материала для напыления покрытия 91
3.3. Обработка опытных заготовок 92
3.4. Методика исследований энергетических характеристик плазмотрона 93
3.5. Методика исследования свойств воздушной плазменной струи 96
3.6. Методика измерения скорости напыляемых частиц 99
3.7. Методика исследования плазменных покрытий 101
3.7.1. Методика исследования структуры покрытий 101
3.7.2. Методика исследования свойств покрытий 106
3.7.2.1. Определение пористости плазменных покрытий 106
3.7.2.2. Методы определения коррозионной стойкости покрытий. 107
3.7.2.3. Методика исследования цвета покрытий 110
3.7.2.4. Методика определения адгезионной прочности покрытий 112
3.8. Заключение 113
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований 114
4.1. Результаты измерения энергетических свойств плазмотрона 114
4.2. Результаты диагностики плазменной струи 119
4.3. Результаты измерения скорости напыляемых частиц 122
4.4. Исследование свойств покрытий 123
4.4.1. Коррозионные испытания 123
4.4.2. Исследование структуры плазменных покрытий и исходных материалов 125
4.4.3. Определение пористости и адгезии покрытий 138
4.4.4. Цветовые характеристики покрытий 140
4.5. Примеры внедрения результатов исследований 142
4.6. Выводы 145
Общие выводы 147
Список литературы
- Анализ газотермических и газодинамических методов нанесения покрытий
- Граничные условия для дуги в канале плазмотрона и для плазменной струи
- Расчет движения и нагрева потока частиц порошков на основе меди в процессе плазменного напыления
- Результаты измерения скорости напыляемых частиц
Введение к работе
Актуальность работы. Сохранение культурного наследия и поддержание его в надлежащем состоянии, без сомнения, является достаточно сложной и важной задачей, требующей для своего решения усилий специалистов различных профилей. Не в последнюю очередь это связано со становящейся все более агрессивной окружающей средой, оказывающей на культурные ценности находящиеся на открытом воздухе губительное воздействие. Решение этой задачи можно осуществить лишь путем активного внедрения современных технологий и материалов апробированных в современной промышленности.
Большинство сведений, приводимых в современной технической литературе, касаются вопросов нанесения покрытий на изделия промышленного назначениях, а применительно к художественным предметам используются декоративные покрытия из благородных металлов, эмалей и красок. Для крупноформатных художественных изделий такой подход неприемлем, если он не является элементом авторского замысла.
Одним из наиболее перспективных методов формирования покрытий на поверхности крупногабаритных изделий в настоящее время является газотермическое и, в частности, плазменное напыление.
Разработкам в области плазменных технологий и теории процессов в плазменных устройствам были посвящены многочисленные публикации как отечественных, так и зарубежных ученых: М.ФЖукова, В.СКлубникина, В.В.Кудинова, В.Я. Фролова, С.В.Дресвина, О.П. Солоненко, П.Фоше, Э. Пфендера и др.
В работах этих, и ряда других авторов, установлены основные закономерности процессов происходящих в условиях горения электрической дуги в различных средах, поведения частиц материала вводимых в плазменную струю и ряд закономерностей, определяющих формирование слоев покрытий.
Основной задачей технологии плазменного напыления, как одного из разделов электротехнологии, является создание покрытий, предохраняющих изделия или детали от деградации. Такие покрытия могут применяться и в декоративных целях, когда нанесенный слой придает изделию привлекательный вид - в этом случае его называют защитно-декоративным - и предназначенным не только для защиты от атмосферного воздействия, но и для придания объекту определенного цвета, создания искусственной патины.
Цель и задачи работы. Разработка воздушно-плазменной электротехнологии нанесения покрытия, обеспеченной созданием плазмотрона, режимами его работы, формированием свойств защитно-декоративного покрытия, обеспечивающего сохранность культурных ценностей, выполненных из медных сплавов. Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:
Разработка воздушно-плазменного оборудования для получения защитно-декоративных покрытий, предохраняющих культурные ценности от деградации;
Установление взаимосвязей между электрическими, газодинамическими и теплофизическими параметрами плазмотронов и характеристиками формируемых покрытий;
Анализ влияния режимов работы плазмотронов на характеристики плазменной струи на основе математической модели, описывающей процессы теплообмена и движения нагреваемого материала;
Разработка методики экспериментальных исследований закономерностей генерирования плазменной струи и режимов работы плазмотрона для выявления состава и свойств формируемых защитно-декоративных покрытий.
Методы исследований. В диссертационной работе использовались теоретические положения теплофизики плазменных сред, численные методы решения уравнений баланса энергии электрической дуги и уравнений движения, методы экспериментальной проверки результатов расчетов и современные методы исследования свойств полученных покрытий.
Достоверность результатов работы подтверждается сравнением результатов расчета с экспериментальными данными, комплексным исследованием характеристик покрытий и практической реализацией предложенной технологии.
При проведении экспериментальных работ и исследовании полученных покрытий применялось следующее оборудование: установка плазменного напыления типа УВПН-40, лабораторный стенд исследования плазмотронов, микроскоп Zeiss Optio с программой компьютерного анализа изображений TIXOMET Pro, сканирующий электронный микроскоп TESCAN VEGA с приставкой для рентгеновского микроанализа, рентгеновский дифрактометр ДРОН -3, потенциостат П 5827, измеритель скорости светящихся объектов ИССО-1, цифровые и аналоговые электроизмерительные приборы.
\Научная новизна. Основные научные результаты, полученные впервые и защищаемые автором, заключаются в следующем:
Разработана электротехнология воздушно-плазменного напыления защитно-декоративных покрытий на основе медного порошка с учетом влияния предварительной подготовки напыляемого материала, обеспечивающих формирование покрытий со свойствами, предотвращающими деградацию культурных ценностей, выполненных из сплавов меди.
Разработана новая конструкция высокоскоростного плазмотрона с укороченным электродуговым каналом для воздушно-плазменного нанесения защитно-декоративных покрытий, основанная на результатах анализа условий генерирования струи плазмы и формирования защитно-декоративных покрытий.
Определено влияние электротехнологического оборудования и условий напыления частиц на изменение физико-химических характеристик получаемых защитно-декоративных покрытий,
Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заключается в разработке:
методики проведения экспериментальных исследований, позволяющих соотносить получение требуемых характеристик покрытия с режимами работы оборудования;
высокоскоростного воздушно-дугового плазмотрона для напыления мелкодисперсных порошковых материалов;
метода плазменной технологии нанесения защитно-декоративных покрытий на основе меди на памятники культуры и искусства, который был впервые применен при проведении реставрационных работ на ряде объектов.
Полученные данные в результате опытной эксплуатации разработанного электротехнологического оборудования позволяют рекомендовать воздушно-плазменную технологию напыления, а также предложенную модель плазмотрона при нанесении покрытий на основе легкоплавких материалов для практического применения в других областях промышленности.
Разработанный с участием автора данной работы метод реализован при проведении реставрационных работ в рамках договоров с ООО «Интарсия» при участии НУТЦ «Электротехнология» СПбГПУ, 000 «Полиплазма» и подтверждает результаты и достоверность разработанной методики воздушно-плазменной технологии нанесения защитно-декоративных покрытий. Ряд объ-
ектов находится в эксплуатации на протяжении 10 лет без заметных проявлений коррозии.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Теоретическое обоснование конструкции воздушно-дугового плазмотрона новой модификации, отличающегося высокоскоростной струей генерируемой плазмы.
Результаты экспериментального сравнительного анализа плазменной струи, генерируемой воздушно-дуговыми плазмотронами различных конструкций.
3. Оценка влияния параметров генерируемой плазменной струи на физико-
химические характеристики полученных защитно-декоративных покрытий.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на Международных конференциях «Пленки и покрытия - 2005», «Пленки и покрытия -2007» и «Пленки и покрытия -2009».
Публикации по теме работы. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 2 - в изданиях, включенных в перечень ВАК. Получен патент на изобретение РФ №2203347.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Текст работы изложен на 154 страницах, содержит 85 рисунков, 14 таблиц и 3 приложения. Список использованных источников включает 66 наименований.
Анализ газотермических и газодинамических методов нанесения покрытий
К настоящему времени известно большое количество методов нанесения покрытий. Их можно распределить по среде, в которой проводится процесс: твердая (термодиффузионные методы) [3], жидкая (химические и электрохимические методы) [9], газообразная (методы газотермического и газодинамического напыления) [3], вакуум (термическое, электронно-лучевое, ионное, лазерное напыление) [Ю].
Возможны также комбинации двух и более методов с последующей дополнительной обработкой - пропиткой, грунтовкой, окраской и т.п. [11]. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки, свои области использования.
Термодиффузионные методы позволяют получать плотные, прочные слои с плавным переходом свойств и состава от основы (обрабатываемой, защищаемой, восстанавливаемой поверхности изделия) к покрытию. Наряду с этим имеется возможность дополнительного воздействия на образующееся покрытие путем создания контролируемой атмосферы, позволяющей производить дополнительное химическое воздействие (например, окисление) образующегося слоя. Основной недостаток этого метода заключается в том, что процесс ведется при высоких температурах, неизбежно приводящих к недопустимому воздействию на реставрируемый предмет.
Химическое и электрохимическое осаждение [9] позволяет в настоящее время наносить как тонкие слои металлов, так и достаточно толстые покрытия (для восполнения утраченных участков). Химическое (искусственное) патинирование позволяет получать на медной основе слои химических соединений, имитирующие естественную патину по цвету, либо по составу [12].
Метод химической металлизации основывается на протекании окислительно-восстановительных реакций с выделением атомов металла, имеющих более высокий окислительно-восстановительный потенциал. Гальваническая металлизация заключается в электролитическом осаждении металла из растворов солей, содержащих ионы соответствующих металлов. При этом имеется возможность нанесения многослойных покрытий из разнородных металлов, совместное, одновременное нанесение нескольких металлов и. при соответствующем подборе реактивов и режимов ведения процесса, влияния на химический состав и окраску получаемого продукта [13]. К недостаткам этих методов следует отнести тот факт, что при воздействии на исходный объект химических соединений, применяемых в технологических процессах (которые даже при самой тщательной промывке остаются в обрабатываемом изделии), возможно разрушение покрытия и основы. Кроме того, процесс ведется после демонтажа конструкции в специальных ваннах.
Большое развитие в промышленности получили вакуумные методы форлшрования тонких пленок покрытий на различные детали [14] и газотермическое нанесение покрытий большей толщины [15]. Ниже приведены результаты анализа этих методов с точки зрения возможности их применения при реставрации предметов искусства.
Вакуумные методы позволяют создавать на поверхности тонкие слои (обычно, не более единиц мкм) покрытий из чистых металлов, сплавов и их соединений с напускаемыми в камеру реакционными газами (оксидов, нитридов и т.п.), имеющих хорошую адгезию с основой и низкую пористость. Такие покрытия нашли широкое применение в электронной промышленности, машиностроении, современном дизайне [16]. Метод химического вакуумного осаждения основан на термическом разложении (пиролизе) газообразных соединений (CVD - chemical vapour deposition) и образовании на поверхности упрочняемых деталей твердых покрытий (карбиды, нитриды, карбонитриды и т.п.) [3].
Метод предусматривает нагрев упрочняемого материала до высокой температуры (вплоть до 1000 С), что разупрочняет материал основы и может приводить к короблению деталей.
Основные сведения о составе некоторых покрытий, которые могут быть нанесены данным способом, приведены в таблице 1.1 .
Прочность сцепления покрытия зависит от взаиморастворимости реагирующих материалов, качества подготовки покрываемой поверхности и ряда других факторов. Для повышения адгезии рекомендуется проводить предварительную очистку основы в ультразвуковой ванне.
Среди методов физического вакуумного осаждения покрытий наиболее распространен метод термического испарения в вакууме, который сводится к созданию в вакуумируемом объеме достаточно высокой концентрации паров испаряемого материала путем нагрева исходного материала каким-либо источником энергии (в простейшем случае - за счет Джоулева нагрева) и даль 15 нейшей конденсации паров на обрабатываемом объекте. Этот метод является предшественником ионно-плазменных методов [17], которые отличаются дополнительной активации паров при наложении электрического потенциала.
Технология получения покрытий из плазменной фазы в вакууме имеет ряд преимуществ перед термическим напылением, т.к. позволяет напылять все виды материалов (металлы, сплавы, керамику) практически на любые поверхности, получать покрытия с высокими физико-механическими свойствами и с высокой адгезией, уменьшить тепловой поток к обрабатываемой подложке. [18].
К недостаткам упомянутых методов нужно отнести некоторую сложность оборудования, высокую стоимость, некоторую нестабильность получаемых результатов и трудность достижения больших (более нескольких мкм) толщин.
Покрытия, создаваемые вакуумными методами, формируются, как правило, из новых видов материалов, таких как TiN, ZrN и т.п., которые применительно к классическим, традиционным произведениям искусства, в частности памятникам, не обеспечивают восстановление исходных декоративных свойств. Тем не менее, следует отметить, что в последнее время появились работы по магнетронному нанесению более перспективных в этом отношении покрытий, например, из СіьО [19]. Однако, следует учитывать то обстоятельство, что наносимые тонкие слои при экспозиции на открытом воздухе будут подвергаться интенсивному пылеабразивному износу.
Граничные условия для дуги в канале плазмотрона и для плазменной струи
Для подачи порошка в плазменную струю используется дозатор вибрационного типа. Для доставки порошка к плазмотрону применяется толстостенная полиэтиленовая гибкая трубка с каналом небольшого сечения, что позволяет избегать забивания канала порошком при его изгибе.
Производительность при напылении металлических материалов плазма-тронами данной конструкции может достигать 10-15 кг/ч.
С учетом особенностей процесса плазменного напыления при проведении реставрационных работ - работа в стесненных условиях с плазмотроном, находящимся в руках оператора, целесообразно уменьшение габаритов плазмотрона за счет уменьшения длины МЭВ. т.е. использовать меньшее количество секций МЭВ. Как показали многочисленные эксперименты с конструкциями подобных плазмотронов, для обеспечения надежной их эксплуатации необходимо использовать не менее двух секций МЭВ. Диаметр канала, при этом, следует уменьшить пропорционально уменьшению длины дуги - для обеспечения достаточно полного формирования столба дуги и стабилизации плазменной струи.
Кроме того, следует отметить, что плазмотрон ПН-В1 генерирует струю плазмы с избыточно высокой, для рассматриваемых в данной работе целей, осевой температурой струи при недостаточно высокой скорости потока. Плазменные струи с такими параметрами должны вызывать чрезмерный перегрев, окисление и испарение частиц такого, достаточно легкоплавкого материала, как медный порошок. При этом следует учесть, что исходя из требований обеспечения минимальной шероховатости получаемого покрытия при проведении реставрационных работ, напыление приходится вести используя медный порошок мелкой фракции - менее 50 мкм.
Технологии подготовки напыляемого материала и детали не отличаются от стандартных существующих технологий [48], которые заключаются в предварительной подготовке и рассеве порошковых материалов, обезжиривании поверхности деталей, механической или струйно-абразивной обработке напыляемой поверхности, самом процессе напыления и, наконец, обработке покрытия.
Плазматроны постоянного тока с источником питания на основе статических выпрямителей обеспечивают большую стабильность горения дуги и точность поддержания технологического процесса. Источники, используемые для питания плазматронов постоянного тока, весьма разнообразны. По форме внешней вольт-амперной характеристики они могут быть разделены на источники питания с жесткой и крутопадающей внешней характеристикой. Источники питания с жесткой внешней характеристикой могут применяться, для питания специализированных плазматронов, имеющих возрастающую вольт-амперную характеристику, либо с последовательно включенным балластным сопротивлением, что снижает КПД установки и неприемлемо по экономическим соображениям. В связи с этим, источники питания с крутопадающими характеристиками в настоящее время имеют преимущественное распространение [15].
При выборе источника питания во всех случаях должны выполняться следующие условия: - определение возможного диапазона изменений параметров работы; - учет особенности горения дуги в плазматроне; - согласование ВАХ источника питания с ВАХ плазмотрона. 2.2. Теплофизические параметры дугового разряда
Анализ условий форхмирования свободных и гетерогенных плазменных струй на основе принятой концепции физической и тепловой модели дуги [52] необходим для расчетов распределения температуры, давления и векторов скоростей потока генерируемой плазмотроном плазмы в областях технологического пространства. Эти характеристики являются функциями от электрических параметров дуги, свойств и состава плазмы, расхода плазмо-образующего газа, геометрических параметров плазмотрона и ряда других факторов. Все перечисленные параметры являются определяющими в разработке технологического процесса нанесения покрытия.
Математическая модель процессов, протекающих в плазмотроне, базируется на ряде основополагающих закономерностей: закона сохранения энергии: уравнение баланса энергии (УБЭ); законов сохранения импульса и .массы: уравнение движения (УД) и уравнение неразрывности (УН); законов Максвелла: электромагнитная задача (ЭМЗ). Совокупность этих уравнений с начальными и граничными условиями и с дальнейшим численным их решением позволяет получить как распределения параметров, характеризующих сам плазхматрон, так и параметры, характеризующие процессы в технологической зоне. В этом разделе описаны основные уравнения, использованные в данной математической модели.
Двумерное уравнение баланса энергии (УБЭ). Уравнение баланса энергии (УБЭ) является основным уравнением описания теплообменных процессом в канале плазматронов. В УБЭ объединены все основополагающие энергетические процессы, происходящие в плазме: - нагрев плазмы, - преобразование электрической энергии в тепловую, - механизмы использования энергии и ее потери.
Решение УБЭ позволяет проследить, как внешние параметры плазматро-иа влияют на физические параметры плазмы (температуру и скорость движения плазмы, и ее плотность, теплоемкость, электропроводность и т.д.). Поскольку большинство плазмотронов имеют цилиндрическую конструкцию, то УБЭ удобно решать в цилиндрической системе координат (ЦСК). УБЭ выражает закон сохранения энергии, записанный в ЦСК, и позволяет определить изменение температуры плазмы в канале плазмотрона по двум направлениям гиг: где р — плотность плазмы, г/м"; ср —теплоемкость плазмы, Дж/(кг-К); Т — температура плазмы, К; А — теплопроводность плазмы Вт/(м-К), а — электропроводность плазмы, 1/(Ом-м); Е — напряженность электрического поля, В/м; Ura(j - излучение плазмы, Вт/м ; v:, и,, -составляющие скорости плазмы по г и по г соответственно, м/с.
Левая часть УБЭ выражает количество энергии в единицу времени, передаваемое из одной области в другую область за счет движения плазменного потока, поэтому эта группа называется группой конвективных членов:
Расчет движения и нагрева потока частиц порошков на основе меди в процессе плазменного напыления
Для определения локальных характеристик в различных участках плазменной струи, что необходимо при расчете движения и нагрева частиц напыляемого материала, производились измерения с помощью продольнооб-текаемого водоохлаждаемого датчика с внутренним каналом (энтальпииныи зонд Грея) [57]. Функциональная схема измерительного стенда приведена на рис. 3.5. Измерительный зонд юстируется по оси плазменного потока, при измерении профиля струи производится его сканирование поперечным перемещением на различном удалении от среза сопла плазмотрона. Динамический напор струи измерялся с помощью водяного U-образного манометра; энгальпия определялась при переключении датчика к вакуумной системе — при этом расход газа через пробоотборный канал измерялся ротаметром РМА-0,063 (с учетом поправки на разряжение, измеряемой образцовым ма-новакуумметром в соответствии с формулой ( 3.3)).
Измерение энтальпии плазмы определялось по разнице тепловых потоков, воспринимаемых зондом в случае отбора газа через внутренний канал зонда и без отбора газа. Разница тепловых потоков определялась с помощью дифференциальной термопары, установленной на входе и выходе зонда в соответствии с выражением (3.6): "б, = Ноых + СР(АТо-АТ0о) (3.6) где Н(1К, Нвых -энтальпия газового потока на входе и выходе из зонда; G6 , Gr - расход охлаждающей воды и газа через зонд, Ср - теплоемкость воды; АТа и Д7 0 ДТбо —разница температур охлаждающей воды с отбором пробы газа и без отбора, соответственно.
Измерение локальной скорости плазменной струи осуществлялось при работе зонда в режиме датчика полного напора по формуле: V = где P - показание манометра, pn — плотность плазмы в данной точке потока, которая находится по таблицам термодинамических свойств плазмы [56], на основании результатов определения энтальпии в этой же точке по ранее приведенной методике.
Схема измерения характеристик плазменной струи с помощью зонда Грея: 1 - зонд; 2 - термопара на входе зонда; 3 - термопара на выходе из зонда; 4 - трехходовой кран; 5 — U-образный манометр; 6 — форвакуумный насос; 7 — газовый ротаметр; 8 — кран регулировки расхода воды через зонд; 9 - микровольтметр; 10 - мановакууметр; 11 - ротаметр для измерения расхода воды через зонд.
При проведении аналогичных исследований с помощью поперечнооб-текаемого зонда (рис. 3.6 и 3.7) в соответствии с вышеприведенными соотношениями (3.6) и (3.7) осуществлялось определение энтальпии и скорости плазменной струи в том числе и на меньших, по сравнению с продольнообте-каемым зондом, дистанциях от сопла плазмотрона, что связано с лучшими условиями охлаждения такого зонда. Обработка результатов проводилась по вышеприведенной методике. Наряду с этим, поперечнообтекаемый зонд позволяет получить профиль теплового потока путем обратного пересчета в соответствии с уравнением Абеля: Q(r)rdr ема измерения характеристик плазменной струи поперечным зондом: 1 - поперечнообтекаемый зонд; 2 - ротаметр для измерения расхода воды через зонд; 3 - кран регулировки воды через зонд; 4 - термопара на входе в зонд; 5 — микровольтметр; 6 — вентиль регулировки отбора газа; 7 - форвакуумний насос; 8 - термопара на выходе из зонда.
Кроме того, с целью контроля правильности зондовых измерений, проводилось исследование температурного распределения в плазменной струе методом малой монохроматизации [58]. С этой целью производилась съемка плазменной струи и эталонной лампы типа СИ-8-200 на особомелкозерни-стую монохроматическую фотопленку типа ILFORD PANF PLUS 50 через комбинацию светофильтров ЖС-17 и СС-4, вырезающих спектральную область 440-480нм, фотоаппаратом «Зенит» с различными экспозициями, но на равном расстоянии до объекта (260 мм). После обработки пленки производилось определение степени почернения в различных зонах изображения плазменной струи с помощью микрофотометра МФ-2, полученные данные пересчитывались по обратному преобразованию Абеля в радиальную излуча-тельную способность от рассматриваемых областей плазмы в соответствии с формулой: Рис. 3.7. Внешний вид стенда с поперечнообтекаемым зондом: 1 -манометр; 2 -ротаметр; 3 — плазмотрон ПН-31; 4 поперечнообтекаемый зонд; 5 -датчики температуры воды; 6 -механизм позиционирования. J Н 2 г=л.УІг--х где J{r), J(x) - соответственно радиальное и поперечное распределение излучательной способности, R - радиус струи.
Затем производилось сравнение полученных результатов с излучатель ной спосооностью эталонной лампы.
Скорость полета напыляемых частиц измерялась с помощью прибора ИССО-І, действие которого основано на механической развертке (с помощью вращающегося перпендикулярно направлению движения частиц зеркала) изображения траектории движущихся светящихся объектов [59]. Схематическое устройство прибора ИССО-І приведено на рис. 3.8. Метод имеет определенные ограничения, связанные с тем, что объект (частица) должен иметь достаточно высокую температуру (и, тем самым, светимость),
100 чтобы быть выявленным на фоне ярко светящейся зоны плазменной струи. Кроме того, измерение производится применительно к потоку частиц, имеющих различные скорости, и является осредненным для всего ансамбля частиц. При данных условиях проведения экспериментов скорость частиц возможно определить на расстоянии более 100мм от среза сопла плазмотрона.
При фиксированной скорости развертки (вращения зеркала) определялся угол отклонения траектории частиц от первоначального. Расчет осуществлялся по формуле: где R — расстояние от оси вращения зеркала до фокальной плоскости фотоаппарата (105,2мм), пэ — скорость вращения вала электродвигателя (мин"), zl и z2 - число зубьев шестерен на валах двигателя и зеркала, соответственно, у - угол наклона траектории частиц, р -0,573 - поперечное увеличение объектива.
На основании этой формулы можно составить таблицу зависимости скорости частиц от показаний тахометра для проведения более оперативных измерений.
Поскольку окончательным результатом процесса плазменного напыления является получение покрытия с необходимыми свойствами, производилось комплексное исследование, как покрытия, так и материалов для напыления.
Во многих работах отмечено, что вопрос количественного определения составляющих в образцах, содержащих металлическую медь и ее одно- и двухвалентные оксиды (что имеет место быть в случае воздушно-плазменного напыления декоративно-защитных покрытий) представляет серьезные трудности при использовании методов аналитической химии [60]. В связи с этим, при исследовании свойств покрытий, большее внимание было уделено методам исследования, использующим в своей основе физические эффекты.
При помощи рентгеноструктурных исследований производилось исследование фазового состава материалов (что является фактором, определяющим как защитные, так и декоративные свойства покрытия) для получения сведений о составе оксидной фазы в исходных порошках и в покрытиях, полученных при различных технологических условиях: для порошков — в зависимости от температуры их предварительной обработки, для покрытий - в зависимости от параметров напыления (исходной дисперсности исходных материалов, рабочего тока плазмотрона, расхода рабочего газа и дистанции напыления).
Рентгеноструктурные исследования основаны на способности рентгеновского излучения испытывать преломление на структурных составляющих (кристаллической решетке), имеющих размеры, соизмеримые с длиной волны излучения. Поскольку каждое кристаллическое вещество имеет специфические параметры кристаллической решетки, имеется возможность его
102 идентифицировать. Задачей рентгенофазового анализа является идентификация различных фаз в их смеси на основе анализа дифракционной картины, даваемой исследуемым образцом. Понятие кристаллической фазы определяется как пространственно однородное состояние вещества, характеризуемое определенным элементным составом и структурой [61]. Поскольку реальные кристаллические вещества не являются идеальными монокристаллами, картина дифракции существенно усложняется - например, наличие внутренних напряжений вызывает уширение пиков на рентгенограмме.
Съемка образцов велась по схеме Брега-Брентано (Рис.3.9.а) [61]. Плоский образец 3 облучают расходящимся пучком рентгеновских лучей. Образец может быть монолитным или представлять собой навеску порошка. Образец 3 и детектор 5 вращаются автоматически в горизонтальной плоскости вокруг общей вертикальной оси гониометра с соотношением линейных скоростей vC4. = 2v0r,j). При этом детектор измеряет интенсивность дифракционной картины последовательно под разными углами отражения. Показания детектора регистрируются через заданные интервалы углов поворота гониометра на диаграммной ленте, движущейся синхронно с вращением детектора (в настоящее время для регистрации результатов преимущественно используют компьютерные системы). В результате фиксируется дифрактограмма — кривая зависимости интенсивности дифракционной картины от угла отражения (рис. 3.9.6). Каждый пик на рентгенограмме является отражением п-го порядка от серии плоскостей (Jikl) с межплоскостным расстоянием с/. Согласно уравнению Вульфа-Брэгга, положение пика на дифрактограмме, отвечающего межплоскостному расстоянию Лш связано с углом & и длиной волны А, излучения для всех линий рентгенограммы.
Результаты измерения скорости напыляемых частиц
Основываясь на изложенной в диссертации методике, была разработана технология воздушно-плазменного напыления защитно-декоративного покрытия на основе меди для скульптурных композиций из медных сплавов.
Непосредственно перед напылением покрытия проводилась струйно-вихревая обработка напыляемого участка.
Защитно-декоративное покрытие на поверхность скульптуры наносили методом воздушно-плазменного напыления с помощью плазмотрона ПН-31. Режим напыления — рабочий ток 150А, расход воздуха 0,7 г/с, дистанция напыления 150-250 мм. В качестве материала покрытия использовали медный порошок марки ПМС-1, который подвергался предварительной термической обработке при 320 С для создания на поверхности частиц меди оксидной пленки и отсеву необходимой мелкой фракции (менее 50 мкм)..
Далее, поверхность памятника обрабатывалась спиртовым раствором ингибитора коррозии. В качестве ингибитора использовался бензотриазол-1,2,3. Ингибитор коррозии, попадая в поры покрытия, после испарения растворителя остается в них и сохраняется там в течении длительного времени.
После обработки ингибитором, окончательная отделка поверхности производилась путем натирания ее раствором воска. Отреставрированная поверхность имеет темно-коричневый цвет, характерный для хорошо сохранившейся поверхности памятников из сплавов меди (Приложение 2).
По результатам проведенных исследований следует отметить, что с помощью вновь разработанного высокоскоростного плазмотрона ПН-31 удалось получить защитно-декоративное покрытие на основе медного порошка марки ПМС-1, обладающего выраженными антикоррозионными свойствами при необходимой адгезионной прочности, пористости и цветности поверхности. Отмечена определяющая роль плазмохимических процессов окисления и состояния оксидной фазы на свойства получаемых покрытий.
Параметры плазменных струй, полученные экспериментальным путем соответствуют математической модели с учетом допущений, предполагаемых при ее формулировке и инструментальным погрешностям измерения, присущим применявшимся методикам.
146 Опыт эксплуатации плазмотрона ПН-31 при проведении ряда реставрационных работ подтвердил надежность, удобство конструкции и практическую применимость его для нанесения защитно-декоративных покрытий из материалов на основе окисленного медного порошка на металлические элементы скульптурных композиций, выполненные из медных сплавов.
Определены технологические режимы процесса получения покрытия и выявлены закономерности влияния технологических параметров на его свойства. Для получения защитно-декоративного покрытия на основе меди рекомендуется использовать предварительно окисленный при температуре 320С порошок меди марки ПМС-1 фракции менее 50 мкм, нанесение покрытия осуществляется высокоскоростным воздушным плазмотроном модели ПН-31 при рабочем токе 150 А и расходе плазмообразующего газа 0,7 г/с.
1. Выполнен анализ особенностей существующих методов нанесения покрытий и обоснована возможность использования метода воздушно-плазменного напыления для нанесения защитно-декоративных покрытий.
2. . На основании анализа модели горения электрической дуги в канале плазмотрона определены основные параметры новой конструкции плазмотрона, отличающейся повышенной до 1200-1500 м/с скоростью истечения струи, скоростью полета частиц на дистанции напыления до 150-200 м/с при температуре струи на дистанции напыления до 2000 К.
3. Определены условия формирования струи плазмы и режимы воздушно-плазменного нанесения защитно-декоративного покрытия на основе мелкодисперсного (менее 50 мкм), предварительно окисленного медного порошка марки ПМС-1 с помощью разработанного плазмотрона ПН-31, а именно, рабочий ток в диапазоне 120-150А при расходе рабочего газа (воздуха) 0,7-0,9 г/с.
4. Разработана и прошла опытно-промышленную эксплуатацию новая конструкция высокоскоростного плазмотрона ПН-31 с укороченным дуговым каналом для воздушно-плазменного нанесения защитно-декоративных покрытий с двухсекционной межэлектродной вставкой, соплом-анодом диаметром 6 мм, который позволяет достигать скорости плазменной струи более, чем в три раза превышающей скорости у ранее разработанного плазмотрона ПН-В1 при одинаковых входных параметрах.
5. Разработано защитно-декоративное покрытие на основе меди, наносимое методом воздушно-плазменного напыления на памятники культурного наследия и другие объекты, изготовленные из медных сплавов. Способ нанесения покрытия защищен патентом на изобретение РФ №2203347.
