Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Работоспособность машин и оборудования на этапах жизненного цикла 11
1.1. Конкурентоспособность технологий металлоплакирования в легкой промышленности 11
1.1.1. Разработка методов формирования технико-экономических характеристик конкурентоспособных изделий 11
1.1.2. Методы обоснования технологичности конструкций изделий и экономических оценок 23
1.1.3. Типовой технологический процесс-основа технологического контроля 42
1.1.4. Методологическая основа жизненного цикла изделий 47
1.2. Надежность технологических систем как фактор обеспечения конкурентоспособности продукции 51
1.2.1. Оценка надежности технологических процессов по заданной надежности отдельных операций 56
1.2.2. Методы анализа планирования надежности 61
1.2.3.Общие требования и предпосылки к проведению оценок надежности технологических систем 65
1.3. Оценка работоспособности машин и оборудования 80
1.4. Эффективность технологических систем в процессе обеспечения работоспособности изделий 99
1.4.1. Методические вопросы выбора свойств технологических систем 99
1.4.2. Эффективность перераспределения ресурсов в технологических системах 104
Выводы по главе 108
Глава 2. Обоснование применения технологий металлоплакирования для обеспечения работоспособности оборудования легкой промышленности 110
2.1. Анализ условий эксплуатации и причин потери работоспособности швейного, трикотажного и обувного оборудования 110
2.2. Основные методы упрочнения и восстановления деталей оборудования и возможности применения технологий металлоплакирования 115
2.2.1. Формирование защитных покрытий на поверхностях деталей при их обработке в металлоплакирующих рабочих средах 115
2.2.1.1. Термодинамическое обоснование требований к компонентам технологических сред используемых для снижения водородного изнашивания деталей в узлах трения 115
2.2.1.2. Математическое моделирование условий протекания процессов, реализующих эффекты металлоплакирования 119
2.2.1.3. Защита от наводороживания в процессе обработки резанием 138
2.2.1.4. Повышение ресурса деталей, работающих в условиях ограниченного смазывания 143
2.2.2. Основные технологические методы упрочнения и восстановления деталей 146
2.3. Выбор рационального метода нанесения покрытия 160
Выводы по главе 172
Глава 3. Теоретическое обоснование основных направлений развития технологий формирования многофункциональных покрытий металло-плакированием 175
3.1. Плазменное напыление 175
3.1.1. Разработка режимов нанесения покрытий 175
3.1.2. Энергетические и тепловые характеристики плазмотрона 176
3.1.3. Тепловые и динамические параметры струи 179
3.1.4. Расчет параметров частиц в струе 183
3.1.5. Методика расчета режимов оплавления покрытия 188
3.2. Детонационное напыление 191
3.2.1. Роль основных физико-химических факторов в процессе детонационного напыления 191
3.2.2. Оценка степени влияния ряда технологических параметров на качество покрытий 195
3.2.3. Математическое моделирование процесса разгона и разогрева частиц и его возможности для анализа и прогнозирования свойств покрытий 200
3.2.4. Оценка скоростей полета частиц с помощью приближённых аналитических методов 211
3.2.5. Структурно-фазовые изменения в напыляемом материале 219
Выводы по главе 222
Глава 4. Экспериментальные исследования основных физико-химических факторов процесса и влияния режимов напыления на свойства покрытий 224
4.1. Плазменное напыление 224
4.1.1. Исследования влияния режимов напыления на свойства покрытий 224
4.1.2. Исследование механических свойств напыленных покрытий в зависимости от режимов напыления 226
4.1.3. Исследование микроструктуры напыленных покрытий в зависимости от режимов напыления 229
4.1.4. Исследование триботехнических характеристик напыленных покрытий 233
4.2. Детонационное напыление 234
4.2.1. Экспериментальное исследование процесса разгона и разогрева частиц порошка в стволе установки 234
4.2.2. Исследование возможностей использования пересжатых детонационных волн для повышения скорости и температуры частиц 259
4.2.3. Исследование влияния исходного порошкового материала на свойства покрытия 272
4.2.4. Исследование зависимости структуры покрытия и его эксплуатационных свойств от некоторых параметров процесса 283
4.2.5. Управление структурно-фазовыми процессами при напылении покрытий 300
4.3. Исследование влияния технологических сред с металлоплаки-рующими композициями на свойства покрытий 309
4.3.1. Определение оптимальной концентрации содержания металло-плакирующей композиции в смазочно-охлаждающеи технологической среде 309
4.3.2. Исследование триботехнических характеристик сформированных покрытий 313
Выводы по главе 315
Глава 5. Адаптация технологий металлоплакирования к особенностям оборудования легкой промышленности и результаты внедрения разработок 317
5.1. Методика разработки технологических процессов 317
5.2. Снижение себестоимости метода 319
5.3. Технология подготовки поверхности под напыление 326
5.4. Методика расчета толщины газотермических покрытий 333
5.5. Технология напыления восстанавливающих, упрочняющих и защитных покрытий 337
5.6. Результаты внедрения разработок 350
Выводы по главе 359
Основные выводы по работе 360
Список использованных источников 364
Приложение 384
- Надежность технологических систем как фактор обеспечения конкурентоспособности продукции
- Основные методы упрочнения и восстановления деталей оборудования и возможности применения технологий металлоплакирования
- Роль основных физико-химических факторов в процессе детонационного напыления
- Экспериментальное исследование процесса разгона и разогрева частиц порошка в стволе установки
Введение к работе
Актуальность темы. Проблема комплексного обеспечения конкурентоспособности продукции является первоочередной для отечественного машиностроения. Конкурентоспособность определяется такими факторами как: соотношение цена-качество создаваемой продукции; запланированный срок службы; расходы на эксплуатацию, расходы на профилактическое обслуживание; ремонтопригодность, характеристики ресурсосбережения, экологические характеристики, возможность утилизации и др. Традиционный подход к обеспечению срока службы в жизненном цикле изделия (ЖЦИ) базируется в основном на «статичном» представлении указанного периода. Однако, современные условия, характеризуемые высокой степенью динамичности, делают такой подход неприемлемым. Выходом из сложившегося положения является поиск алгоритмов решений по обеспечению требуемого срока службы. Эффективность таких решений обеспечивается возможностью осмысленного и целенаправленного оперативного изменения требований к каждому реализуемому этапу ЖЦИ.
В современных условиях важнейшим средством обеспечения конкурентоспособности продукции страны является обновление продукции, повышение ее качества за счет реализации научно-технических разработок, что возможно при одновременном росте технического уровня производства, который обуславливает технологическую возможность создания высококачественной продукции и снижение необходимых затрат на ее производство. Для этого необходимо: улучшение характеристик изделия, увеличение срока его службы; выбор экологичных материалов и веществ; выбор экологически чистых производственных и технологических процессов и минимизация рисков для здоровья человека.
Одним из важных вопросов для предприятий легкой промышленности является обеспечение работоспособности технологического оборудования, работающего в тяжелых условиях (высокие скорости, знакопеременные нагрузки, недостаточная смазка и т.д.), В результате изнашивания деталей снижается производительность оборудования, качество выпускаемой продукции, увеличиваются затраты на техническое обслуживание и ремонт.
Одним из путей увеличения ресурса деталей и повышения параметров работоспособности оборудования является применение технологий металло-плакирования. Совершенствование существующих и создание новых способов нанесения покрытий, изучение их структуры и свойств, блокирование поступления водорода в поверхностный слой материалов деталей, разработка новых составов материалов, адаптация технологий металлоплакирования к специфике изготовления, эксплуатации и ремонта деталей оборудования легкой промышленности является актуальной задачей.
Важной составляющей рассматриваемой проблемы является комплексное технологическое обеспечение оптимального функционирования изделий на этапах их жизненного цикла. Очевидно, что технологическая поддержка жизненного цикла изделий будет более эффективной при использовании ее создателями и потребителями единых методологических подходов при производстве, эксплуатации и ремонте, основанных на согласованных математи-, ческих моделях. В данной работе представлены принципы системного подхода к оценке эффективности технологического обеспечения работоспособности оборудования легкой промышленности применением технологий металлоплакирования на этапах жизненного цикла.
Объект исследования - процесс технологического обеспечения работоспособности оборудования легкой промышленности на этапах изготовления и эксплуатации.
Предмет исследования - оборудование легкой промышленности.
Цель работы. Разработка научных, методических основ и технических решений технологического сопровождения этапов жизненного цикла оборудования легкой промышленности формированием многофункциональных покрытий металлоплакированием.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Анализ условий работы и причин потери работоспособности деталей оборудования легкой промышленности, выбор и обоснование методов упрочнения и восстановления.
2. Теоретическое обоснование направлений исследований:
- исследование параметров работоспособности оборудования легкой промышленности;
- определение путей повышения качества покрытий;
- разработка методик расчета технологических режимов нанесения покрытий;
- изучение и выбор приемлемых методов расчета энергетических характеристик частиц напыляемого материала;
- изучение целенаправленного влияния факторов на структурно- фазовые изменения при формировании покрытий.
3. Экспериментальные исследования влияния режимов напыления на свойства покрытий и эксплуатационные характеристики деталей;
4. Экспериментальные исследования по изучению влияния энергетических характеристик частиц на качество покрытий;
5. Экспериментальные исследования по изучению влияния структурно- ч фазовых изменений в напыляемом материале на качество покрытий;
6. Адаптация процесса газотермического напыления к особенностям оборудования легкой промышленности, его эксплуатации и ремонта.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием: основных положений технологии машиностроения, термоди-. намики, аппарата системного анализа, теории вероятностей и математической статистики. Для разработки информационно-программного обеспечения использовались методы объектно-ориентированного программирования, для анализа данных - параметрические и непараметрические статистические методы.
Научная новизна исследований состоит в выявлении закономерностей процессов, обеспечивающих комплексное решение взаимосвязанных задач повышения работоспособности оборудования легкой промышленности на этапах жизненного цикла в условиях вариативности и стохастических связей между параметрами технологической среды и особенностями функционирования, а также в разработке технологических методов, направленных на обеспечение требуемого срока службы деталей машин и агрегатов на основе:
- обоснования технологического обеспечения повышения работоспособности машин и оборудования формированием многофункциональных покрытий металлоплакированием;
- аналитического выбора рационального метода нанесения покрытий на единичные, мелкосерийные и серийные детали.
- методик выбора режимов технологических процессов восстановления изношенных деталей.
- аналитических методик расчета режимов оплавления напыленного покрытия воздушной плазменной струей.
Разработаны методики исследования технологий нанесения покрытий, включающие анализ энергетического состояния частиц порошка во время разгона и разогрева частиц, изучение влияния скорости и температуры частиц на качество получаемых покрытий, исследование фазового состава наносимого слоя.
Обоснованы состав и концентрации металлоплакирующих композиций в смазочно-охлаждающих технологических средах (СОТС).
Экспериментально изучены физико-механические свойства покрытий в зависимости от режимов их нанесения. Получены покрытия с повышенной прочностью сцепления и плотностью с использованием пересжатых детонационных волн.
Практическая значимость.
Разработан метод восстановления нагруженных деталей и узлов оборудования легкой промышленности. Разработаны технологии нанесения износостойких покрытий на детали оборудования.
Разработанные аналитические методики выбора рационального метода нанесения покрытий (в зависимости от серийности производства), а также методики выбора режимов напыления и оплавления, которые позволяют сократить время разработки технологических процессов в 7-10 раз.
Предложены методы повышения характеристик покрытий за счет увеличения скорости частиц напыляемого материала и управления структурно-фазовыми процессами. Определены принципы выбора исходных порошковых материалов, а также режимов технологического процесса напыления.
Разработана технология получения покрытий из недорогих и недефицитных материалов, практически не уступающих по характеристикам покрытиям типа WC-Co, WC-Ni, Cr3C2-Ni (прочность сцепления-до 200-250 МПа, твердость- HRC55-60). Разработанные технологические процессы позволили: в 2...4 раза повысить контактную прочность напыленного покрытия, создать высокопрочные (атах = 280 МПа), антифрикционные (fnh = 0,01...0,038), износостойкие (1= 3,2 10-6 мм/час) покрытия.
Разработанные с участием автора технологические мероприятия по повышению работоспособности машин и агрегатов реализованы в рамках государственной научно-технической программы «Технологии, оборудование и производства будущего», федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения» Минпромнауки РФ, подпрограммы «Инновационные проекты в области сервиса» и др. При участии автора разработан и внедрен на предприятиях комплекс технологических мероприятий повышения срока службы узлов машин, оборудования и режущего инструмента. Разработанные методы послужили основой для создания технических устройств, реализующих технологические процессы повышения срока службы оборудования на этапах изготовления, эксплуатации и ремонта. Результаты работы используются при подготовке инженеров по техническим и технологическим специальностям.
Достоверность полученных результатов подтверждается практической реализацией и внедрением разработанных научных и технических решений, использованием современных приборов и контрольно-измерительной аппаратуры, одобрением научной общественности.
Апробация работы Основные научные и практические положения работы докладывались и обсуждались на: Международных научно-технических конференциях «Наука - сервису», г.Москва, 1995-2006гг.; Всероссийских конференциях «Индустрия сервиса в XXI веке», ГКД, г.Москва, 1999-2001гг.; Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные процессы в регионах России», г.Волгоград, 2003г., 2005г.; Всероссийской научно технической конференции «Новые материалы и технологии - НМТ-2004», г.Москва, 2004г. и др.
Постановлением Правительства РФ от 17.03.1999г. автору в составе коллектива присуждена премия Правительства РФ в области науки и техники за «Разработку и внедрение системы экологически чистых технологий нанесения покрытий многофункционального назначения».
По результатам выполненных исследований опубликовано более 60 научных работ.
Надежность технологических систем как фактор обеспечения конкурентоспособности продукции
В последние годы публикуется все больше работ, посвященных технологической надежности, надежности технологических систем, надежности технологических процессов и определений и т.п.
Применение методов теории надежности к исследованию технологических процессов заслуживает внимания и получит в дальнейшем широкое развитие. Задача стандартизации состоит в том, чтобы разработать единый методический подход к этим исследованиям, установить единое понимание основных терминов, единую номенклатуру показателей. Это обеспечит сопоставимость получаемых оценок и взаимопонимание между различными специалистами, работающими над данной проблемой. А. С. Проников ввел понятие «технологическая надежность станков», определив его как способность деталей сохранять качественные показатели технологического процесса (точность обработки и качество поверхности в течение заданного времени [185]). Логическим развитием понятия «технологическая надежность станков» явилось введение понятия «надежность технологических процессов».
Технологический процесс и отдельные операции обладают всеми признаками систем. Он состоит из следующих взаимосвязанных элементов: станок - приспособление - инструмент - деталь. По отношению к каждой технологической операции в качестве внешней среды могут выступать, например, особенности конкретного предприятия, предприятия - изготовителя заготовок, являющихся объектом обработки и т.п. Во всех этих случаях внешняя среда является также системой, которая взаимодействует с рассматриваемой системой - технологической операцией - и влияет на его основные свойства. По отношению к технологическому процессу отдельная операция является ее элементом; в тоже время отдельный технологический процесс является элементом (подсистемой) производственного процесса в целом. Каждая система А при фиксации ее стратегической цели А определяется своей структурой А и поведением А, т.е. А= (А, А).Стратегическая цель каждого технологического процесса -обеспечивать выпуск необходимого количества продукции с установленными показателями. Возможность и эффективность рассмотрения систем по ее отдельным Х-качествам доказана в [6]. При этом для каждого Х-качества устанавливаются его тактические проявления Ах (А -гАх) а в системе А= (А, А), выделяется подсистема Ах=(Ах,А), которую называют Х-сечением системы А. Таким образом, при контроле технологических процессов можно из этой системы выделить подсистему, определяющую ее Х-качество и осуществлять контроль этого свойства.
Технологической системой принято называть совокупность средств технологического оснащения, объектов производства и, в общем случае, исполнителей, необходимых и достаточных для выполнения определенных технологических процессов и операций и находящихся в состоянии готовности к функционированию или в состоянии функционирования в соответствии с требованиями технической документации. Можно рассматривать технологическую систему для выполнения одной операции и технологическую систему для выполнения некоторого процесса, состоящего из отдельных операций. Например, в технологическую систему для автоматического точения будут входить станок, приспособление, инструмент, деталь (материал иди заготовка), наладчик, рабочий. В технологическую систему одной операции могут включаться также средства контроля и контролер. Технологическая система технологического процесса включает все элементы отдельных операций, а также средства внутризаводского (иди внутрицехового) транспорта, средства механизации и автоматизации вспомогательных операций и т.д.
В технологическую систему входят элементы, для которых обязательно наличие только функциональных связей, т.е., которые обеспечивают нормальный ход технологической операции или процесса. Конструктивные и кинематические связи могут существовать только между отдельными элементами системы (например, в системе станок - приспособление - инструмент - деталь).
Под технологическим процессом понимается часть производственного процесса, содержащая действия по изменению и последующему определению состояния предмета производства. Каждый технологический процесс состоит из отдельных операций. При этом под технологической операцией понимается законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте (ГОСТ 3.1109).
Надежностью технологической системы называется свойство технологической системы выполнять заданные функции, сохраняя показатели качества и ритм выпуска готовой продукции в течение определенных промежутков времени эксплуатации или требуемую наработку.
Понятие «надежность технологического процесса» и «надежность технологической операции обозначается надежность технологической системы, обеспечивающей функционирование рассматриваемого процесса или операции в соответствии с требованиями технической документации. Технологическую систему следует считать надежной в тех случаях, если она обеспечивает выполнение задания по показателям качества изготовляемой (изготовленной) продукции и по параметрам производительности. Параметры и свойства технологической системы и ее элементов изменяются в процессе функционирования. Технологическая система находится в состоянии работоспособности, если она может обеспечивать: -изготовление продукции в соответствии с показателями качества, установленными в технической документации; -изготовление продукции в единицу времени в заданном объеме (в установленном ритме). Если система не обеспечивает выполнение одного из этих требований следует считать, что она находится в неработоспособном состоянии.
Основные методы упрочнения и восстановления деталей оборудования и возможности применения технологий металлоплакирования
Одним из основных требований к многофункциональным покрытиям является их способность к восстановлению свойств в ходе триботехническо-го процесса. Это касается как поверхностного слоя металла, так адсорбционного слоя из компонентов технологической среды. Известно [69], что разрушение изделий вследствие трения в значительной степени определяется водородным изнашиванием металла. Известно также [222], что коэффициент трения снижается с увеличением молекулярной массы органических молекул определенного гомологического ряда, входящих в состав технологической среды. С учетом этих фактов была рассмотрена возможность регенерации в триботехнических процессах органических молекул с большим содержанием атомов углерода (большой молекулярной массой). Анализ проводили на примере использования в технологической среде нормальных углеводородов. В качестве модели рассматривали реакции взаимодействия железа с углеводородами, содержащими четное число атомов углерода. Схема анализируемых реакций в случае использования н-октадекана приведена ниже. На первой стадии углеводород взаимодействует на поверхности металла с образованием карбида: При этом образуется углеводород с меньшей длиной цепи, что должно отрицательно сказаться на значении коэффициента трения. На второй стадии происходит восстановление длины углеводородной цепи, сопровождающееся выделением водорода: Углеводород с восстановленной длиной углеродной цепи («восстановленными антифрикционными свойствами») далее вновь способен взаимодействовать с железом, тем самым, участвуя в круговом процессе, продуктами которого являются карбид железа и водород. Суммарный процесс с участием двух рассмотренных стадий имеет вид: В общем виде уравнение анализируемой реакции можно записать следующим образом:
Для реакций приведенного типа рассчитывали изменения энтальпии и изобарно-изотермического потенциала применительно к стандартным условиям осуществления процесса. Исходные данные для проведения термодинамических расчетов заимствовали из [120].
Результаты расчетов, выполненных применительно к случаю использования жидких реагирующих и образующихся по реакции углеводородов, приведены на Рис.2.1.
Полученные данные показали, что, несмотря на монотонную зависимость энтальпий образования и изобарно-изотермических потенциалов образования нормальных углеводородов от длины их цепи, наблюдаются существенные скачки термодинамических функций анализируемых реакций на их зависимостях от длины цепи углеводородов. Эти скачки можно было бы отнести за счет изменения агрегатного состояния членов гомологического ряда. Однако, согласно результатам проведенных вычислений и при участии в реакциях только газообразных углеводородов термодинамические функции, отражающие энергетику процессов, также изменяются скачкообразным образом (рис.2.2). Из рис.2.1 и 2.2 следует, что максимумы и минимумы значений термодинамических функций на анализируемых зависимостях для жидких и газообразных углеводородов смещены друг относительно друга. Характерно также, что при относительно небольших значениях длины цепи углеводородов химическая система ведет себя обычным образом.
Таким образом, результаты термодинамического анализа показали, что, варьируя длиной цепи органических компонентов, входящих в состав технологической среды, можно создавать как благоприятные, так и неблагоприятные условия для регенерации антифрикционного слоя на поверхности трущихся изделий.
Кроме того, анализ приведенных реакций показал, что уменьшение длины цепи органических молекул способствует увеличению относительного количества выделяющегося водорода, а, следовательно, увеличению интенсивности водородного изнашивания трущихся изделий.
Роль основных физико-химических факторов в процессе детонационного напыления
В основе детонационного процесса напыления лежат сложные физико химические явления, которые изучены еще недостаточно. Имеющиеся результаты теоретических и экспериментальных исследований указывают на то, что решающее влияние на качество получаемых покрытий оказывают энергетические характеристики частиц, причем имеются противоречивые мнения о роли отдельно температурного и скоростного факторов.
При детонационном нанесении покрытий имеют место следующие основные физические явления: нагрев и разгон частиц напыляемого материала за счёт энергии детонации газовой смеси; химическое взаимодействие напыляемого материала с газообразными продуктами детонации; высокоскоростной удар частиц о подложку; процесс формирования слоя покрытия.
В соответствии с теорией физико-химического взаимодействия материалов в процессе напыления [142] свойства покрытий, в частности прочность сцепления с подложкой, плотность, твердость, определяются, в основном, температурой, возникшим при ударе частиц давлением, длительностью взаимодействия, а также состоянием поверхности подложки. Анализ условий формирования покрытий при детонационном напылении, проведенный авторами работ [109, 152, 195, 201, 242, 250] на основании экспериментальных данных, показывает, что они, главным образом, зависят от скорости и температуры частиц порошка в момент соударения с подложкой. Эти характеристики и обеспечивают достижение частицами уровня энергии активации процесса химического взаимодействия и прочного соединения с подложкой.
В отличие от газопламенного и плазменного методов напыления, где энергетические условия для прочного соединения покрытия с подложкой обеспечиваются, в основном, температурой частиц, при детонационном нанесении весьма значительную роль играет скоростной фактор.
По мнению авторов [152], скорость химической реакции на границе раздела покрытие-подложка регламентируется не столько тепловым запасом энергии, сколько скоростью частиц.
В работах [195,242] установлено, что в области скоростей выше 800 м / с температура нагрева практически не влияет на прочность сцепления. Полученные результаты исследований свидетельствуют о существенном влиянии на кинетику и механизм формирования покрытий при детонационном напылении пластической деформации частиц и подложки в зоне соударения. Однако данные представления дают лишь качественную оценку природы образования сцепления и практически исключают возможность расчетной оценки и выбора оптимальных режимов процесса.
Авторы работы [250] на основании экспериментальных данных и их теоретического анализа пришли к выводу о том, что при рассматриваемом методе напыления механизм формирования прочных покрытий в равной степени определяется интенсивностью как термической, так и механической активации приповерхностных слоев соединяемых материалов, причем между прочностью сцепления напыляемых покрытий с подложкой и степенью нагрева, а также скоростью частиц существует сложная зависимость. Авторы приходят к выводу, что увеличение скорости напыляемых в пластичном состоянии частиц до некоторого критического значения будет способствовать росту прочности образующегося соединения.
Максимальная скорость частиц определяется допустимой глубиной образующейся в подложке лунки, а также агрегатным состоянием частицы. При высоких скоростях, по мнению авторов, нагрев частиц до температуры плавления нецелесообразен, так как резкое падение величины импульсного давления снижает степень механической активации поверхностных атомов подложки. Однако в отношении нецелесообразности напыления расплавленными частицами имаются противоположные взгляды. Например, авторы работы [17] считают, что осуществить первый из основных этапов соединения напыляемых частиц с подложкой - формирование физического контакта - невозможно без наличия жидкой фазы, так как напыляемый материал должен затекать в микрорельеф поверхности подложки. В качестве доказательства приводятся данные, полученные при нанесении оксида алюминия, а также результаты работ [8, 89, 108, 126, 200]. Отмечается, что возникающее давле ние при столкновении твердых частиц с подложкой хотя и превосходит в несколько раз давление, оказываемое жидкими частицами, но его повышение не идет ни в какое сравнение с увеличением вязкости, огромное значение которой препятствует растеканию частиц.
По мнению авторов [17] отличия характеристик детонационных покрытий от плазменных и газопламенных объясняются не только большей величиной скорости частиц, но и рядом других особенностей процесса (цикличность, взаимное влияние частиц друг на друга, эффекты абразивного отделения, ударного горячего прессования и т.д.).
Интересно, что основными физико-химическими характеристиками процесса (очевидно располагая их по значимости) авторы считают следующее: 1) Агрегатное состояние частиц перед их взаимодействием с подложкой. 2) Концентрация расплавленных частиц. 3) Скорость частиц. 4) Химические и физические свойства материала частиц и подложки. 5) Средний размер частиц. 6) Распределение частиц по размерам. 7) Геометрия поверхности подложки. 8) Химический состав среды, в которой расположена подложка. 9) Температура частиц. 10) Температура поверхности перед напылением. 11) Концентрация частиц в различных частях двухфазного потока. В работе [109] авторы приходят к выводу, что прочность сцепления частиц с подложкой и друг с другом определяется температурой процесса, скоростью частиц, т.е. давлением в зоне контакта и длительностью взаимодействия.
Экспериментальное исследование процесса разгона и разогрева частиц порошка в стволе установки
В настоящее время существует значительное количество экспериментальных методов изучения быстро протекающих процессов. Особенность исследования процесса детонационного напыления состоит в трудности разработки методики экспериментального определения скорости и температуры частиц с высокой точностью и надежностью. Точное знание значений этих параметров позволяет с высокой степенью достоверности судить о ходе фи 234 зико-химических процессов, имеющих место при ускорении двухфазного потока. В связи с этим в данной работе были проанализированы применяющиеся в настоящее время способы определения скорости и температуры.
Имеющиеся в литературе данные по экспериментальному определению скорости частиц получены методами, которые можно разделить на три группы: 1) Методы, основанные на использовании механических систем. Методы, основанные на измерении яркости и электропроводности двухфазного потока. Методы оптической регистрации. Наиболее часто используемый метод механических систем вращения описан в работах [17,109,170, 226,230, 250]. В данном методе металлизаци-онный поток взаимодействует с двумя параллельными, жестко скрепленными дисками, на одном из которых имеется отверстие. Скорость частиц определяется по формуле: где R - радиус размещения отверстий на первом диске; Н - база измерения расстояния между поверхностями дисков; Д - смещение между центрами пятна и отверстия. По оценкам различных авторов ошибка в измерении при использовании данного метода может составлять от 5 + 8 % [20] до 300 % и более [17] Основными причинами столь низкой точности измерения являются следующие: Взаимодействие высокоскоростного двухфазного потока с элементами измерительной системы, которое приводит к сильному изменению его характеристик. 1)Воздействие на частицы воздушного потока, создаваемого вращающимися дисками. 2)Трудность измерения величины смещения пятна напыления на вто ром диске из-за очень малой толщины слоя (0,3 + 0,1 мкм). Ошибки, обусловленные первыми двумя причинами, являются систематическими.
В работах [109, 257] описаны разновидности механических измерителей скорости, в которых предприняты попытки уменьшить торможение частиц вследствие образования «подушки» у поверхности диска. В работе [257] диаметр переднего диска уменьшен, при этом его край совпадает с осью ствола детонационной установки. Однако данное конструкторское решение не дает должного эффекта, так как взаимодействие газового потока с обоими дисками сохраняется, а напыление через диафрагму еще более увеличивает изменение его параметров.
В конструкциях, предложенных авторами [109] вместо переднего диска используется спицы, а задний диск заменен обтекаемым ободом клинообразного сечения. При этом вместо смещения пятна фиксируется смещение «тени» от спицы. Однако, несмотря на окрашивание поверхности обода светлой нитрокраской, выявление «тени» на нем от единичного выстрела весьма затруднено. Кроме того, возмущение двухфазного потока и здесь имеет место, а учет этого фактора является сложной задачей.
В работе [17] с целью увеличения четкости напыленного пятна и величины его смещения предложено многократное напыление при фиксированном угловом положении дисков в момент инициирования детонации. Это достигается за счет использования специального устройства синхронизации. Напыление производится поочередно на два сплошных диска, причем второй их них перед напылением смещается на величину 10 + 30 мм в осевом направлении. По угловому смещению полос напыления определяют скорость частиц. Достоинством данного метода является возможность изучить изменение интенсивности попадания частиц на подложку в течении времени воздействия на нее двухфазного потока. Однако основной недостаток систем данного типа - торможение двухфазного потока вблизи диска - создает серьезные трудности при определении скорости.
В работах [126, 127] описывается методика регистрации протяженности и места порошкового облака в газовом потоке, измерения скорости частиц, в которой в качестве чувствительных элементов использованы фотодатчики. Определение данных характеристик основано на явлении резкого возрастания яркости высокотемпературного газового потока при введении в него частиц порошка. Недостатки данного способа рассмотрены в работе [17], где авторы приходят к выводу, что интенсивность излучения зависит в основном от яркости свечения мелких частиц. Например, для порошка, состоящего из 99% 50 - микронных частиц и 1% частиц размером 5 мкм, излучение мелких частиц будет более интенсивным. Для анализа использовалась формула определения энергии, излучаемой частицами радиусом ri:
Из формулы (2) видно, что энергия излучения в основном определяется температурой частиц и возрастает обратно пропорционально их размеру. Таким образом, в данном методе измеряется скорость частиц лишь мелкой фракции, причем конечный результат зависит от ее содержания в порошке.
Возможность применения сверхскоростных фоторегистраторов (СФР) [218] для получения информации о динамике частиц также проблематична из-за сложности выделения собственного свечения частиц на фоне интенсивного самосвечения продуктов детонации.
