Технологическое обеспечение работоспособности машиностроительных деталей с плазменно нанесенными покрытиями на базе снижения уровня остаточных напряжений Ню Липин

Содержание к диссертации

Стр.
Список основных обозначений, индексов и сокращений 5

ВВЕДЕНИЕ 9

1. Роль технологии плазменного напыления в системе обеспечения
поверхностного качества и различного функционального
назначения деталей в машиностроение 13

1. Применение функциональных покрытий для повышения эксплуатационных характеристик деталей 13

2. Анализ технических и технологических возможностей газотермических методов нанесения покрытий 18

3. Влияние остаточных напряжений на качество покрытия при плазменном напылении 24

4. Распределения энергии в процессе плазменного напыления и выбор технологических параметров, влияющих на формирование остаточных напряжений 27

5. Постановка задач исследования диссертационной работы 37

2. Теплофизическая модель формирования остаточных напряжений ... 40

6. Экспериментальное определение температуры нагрева частиц порошка в плазменной струе.... 40

7. Характер изменения температуры системы «деталь-покрытие» в начальной стадии формирования слоя покрытия ',., 53

8. Температурный эпюр системы «деталь-покрытие» на завершающей стадии формирования слоя покрытия 59

2.4. Назначение теплофизических и механических параметров усло
вной детали при формировании і-го слоя покрытия 61

3. Теоретически-экспериментальный анализ механизмов формиро
вания остаточных напряжений на базе тештофизического расчета в
системе «тонкостенная деталь-покрытие» 63

Стр.

Аналитическая оценка уровня остаточных напряжений напылении І-го слоя многослойного покрытия на кольцевую тонкостенную

деталь 63

Суперпозиция остаточных напряжений при формировании много
слойного покрытия , , 72

Сравнение теоретически определенных распределений остаточных

напряжений с экспериментом 80

Численное исследование механизмов формирования остаточных

напряжений в системе «толстостенная деталь-покрытие» 87

Выбор конечных элементов для анализа остаточных напряжений в

системе «деталь-покрытие» 89

Анализ остаточных напряжений на поверхности толстостенных де
талей 92

Особенности остаточных напряжений в системе «деталь-покрытие»

на поверхности толстостенных деталей 114

Аналитическая оценка остаточных напряжений в центральной

части на границы «деталь-покрытие» 117

Научно — практические результаты исследований 123

Инженерная методика выбора технологических параметров напыле
ния покрытий по заданным остаточным напряжениям »-.* 123

Толщина напыляемого слоя за один проход 124

Число проходов плазмотрона 128

Подача плазмотрона , 128

Оценка экспозиции плазмотрона над поверхностью детали в

процессе напыления покрытия 129

Влияние температуры подогрева и напыляемых частиц подложки на

уровень остаточных напряжений в покрытии 129

Конструкторско-технологические решения по снижению остато
чных напряжений 131

4 Разработка технологического процесса нанесения покрытий на

элементы плазмохимического оборудования 134

Использование разработанных расчетных зависимостей в учебном

процессе. 151

Выводы по работе 154

Список использованной литературы 156

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, ИНДЕКСОВ И СОКРАЩЕНИЙ

Условные обозначения

Т^ ~ температура плавления;

^г* - температура эксплуатации;

Т_ч - температуры нагрева частиц порошка в плазменной струе;

Я - теплопроводность;

- коэффициент термического расширения;

\ - расстояние от среза сопла до напыляемой поверхности;

Ч - тепловой поток;

$ - толщина;

У_ч - скорость частицы в струе плазмы;

V_mp - скорость транспортирующего газа в питателе;

У_р - скорость движения светового луча от вращающегося

зеркала фотокамеры вдоль фотопленки;

d - диаметр;

d_Q - диаметр частиц;

S_mm - толщина покрытия за один проход плазмотрона;

^тах - окончательные размеры после соударения частиц с

поверхностью детали;

Р - плотность;

У_ч - скорость частиц;

ст - прочность;

<г_к - контактные напряжения на границе «частица-деталь»;

S_c - площадь контакта частицы и детали;

Ё'" - мощность внутренних сил, развивающихся в частице при

пластическом деформировании;

сг₀ - интенсивность напряжений в материале частицы;

С, - скорость деформации в произвольной точке;

деформирующейся частицы; <

V - объем частицы;

V_lm | - скорость свободной поверхности частицы;
У і - осевая скорость;

V₂ - скорость частицы на оси деформирующейся ;

(т_к - контактное напряжение;

'та* - время максимального деформирования частиц порошка;

(S_m,n)cpe - среднее значение толщин по результатам измерений; <т_сре ' - среднеквадратичное отклонение толщин по результатам

измерений;
d_n - диаметр пятна плазменного напыления;

S_n - площадь пятна плазменного напыления;

М_птр - масса покрытия;
^мж,т - масса напыляемого материала;
»1 - расход порошка;

v - скорость движения плазмотрона по поверхности детали;

К^ - коэффициент использования напыляемого материала;
N - оборот вращения;

в - течение с контакта до сцепления покрытия с основой;

х_н - расстояние от тыльной поверхности до центра объема

детали;
С - теплоемкость;

Ь - безразмерная теплопроводность;

Т₀ - температура частиц;

Го - коэффициент;

Р - коэффициент;

а - констант;

Г, - температура покрытия в начальной стадии контакта с

деталью;

Т_дй - температура подогрева детали;

Т_А - абсолютная температура покрытия;

5_Т - текущая толщина напыляемого слоя покрытия;

\Га\ - относительная температура покрытия на начальной стадии

контакт с основой;

(S)_a - безразмерная толщина покрытия в начальной стадии

контакт с основой;

Д,_в, - средние взвешенные свойства;

S_M - относительная толщина покрытия в начальной стадии;

$ - отношения текущей толщины к толщине минимального

слоя напыления за один проход плазматрона;

Е - модуль упругости;

ДГ - изменение температуры в образце;

/i₀ - коэффициент Пуассона;

г - текущий радиус образца;

є_в - окружная относительная деформация;

А_т - наибольшее радиальное перемещение;

г^ - максимальное касательное напряжение;

ег^ - максимальное радиальное напряжение;

G - модуль сдвига;

R - радиус деталь;

Е_0ост - общая энергия деформирования;

R₂ - высота микронеровности;

{о-_л,_)я)_л - величина среднего напряжения в покрытии;

<у_щ - прочность сцепления покрытия с основой;

L - дистанция напыления;

m - расход порошка;

^ - эквивалентный расход порошка;

К_им - коэффициент использования напыляемого материала;

П - пористость;

S_R - толщина покрытия;

S_a - толщина подложки;

5"_ЛИИ - подача плазмотрона;

$_под - толщина подслоя;

/?_м> - концентрация материала NiCr в составе подслоя;

^ - коэффициент релаксации;

N_a - число проходов плазмотрона.

Индексы

п - покрытие;

д - деталь;

О - исходное значение;

ч - частица;

В - взвешенные свойства;

і - число слоев покрытия, созданное в условной детали;

$ - безразмерная величина;

w - максимальное значение.

Сокращения Ю1Р - коэффициенты термического расширения; ГТН - газотермическое напыление; ОН - остаточное напряжение; КИМ - коэффициентом использования материала.

Введение к работе

Интенсификация экономики и повышение ее эффективности во многом определяются применением новых технологических процессов. Оборудование машиностроения, эксплуатирующееся в экстремальных условиях, применение защитных покрытий на рабочих поверхностях деталей машин и механизмов дает наибольший экономический эффект при наименьших дополнительных затратах. Конкретная совокупность этих условий определяет назначение покрытий термостойкие, жаростойкие, эрозионно-стойкие, износостойкие, антифрикционные, коррозионно-стойкие, отражающие или поглощающие различные виды излучения и т.д. Плазменное напыление является одним из перспективных технологических методов получения многофункциональных покрытий. Плазмой можно наносить покрытия практически из любых видов материалов, обладающих заданными физико-механическими свойствами.

К недостаткам метода плазменного напыления следует отнести их недостаточное сцепление с основой. Прочность сцепления газотермических покрытий зависит от многих технологических факторов, физико-химического состояния поверхности, а также в значительной степени зависит от величины и знака остаточных напряжений.

Остаточные напряжения в области, близкой к фан и це раздела напыляемой поверхности «деталь-покрытие», появляются в результате значительного градиента температур в элементах системы и различия в их коэффициентах линейного расширения. Остаточные напряжения являются одной из основных причин, вызывающих нежелательные структурные изменения в покрытиях - образование трещин и отслоений покрытий, полученных плазменным напылением. Трещина и отслаивание покрытий при последовательном напылении слоев объясняются ростом величины остаточных напряжений до критического уровня, определяющего прочность сцепления покрытия с подложкой.

Несмотря на принципиальное понимание основных физических процессов, приводящих к образованию остаточных напряжений в напыленных покрытиях, еще не разработаны инженерные методы их оценки. Это объясняется не только сложностью, но и многосторонностью теплофизических, физико-химических и других явлений, влияющих на формирование остаточных напряжений (011) в напыленных покрытиях.

Все выше изложенное свидетельствует о том, что вопрос технологических оценок уровня остаточных напряжений в покрытиях при плазменном напылении является актуальной задачей, имеющей научное и большое практическое значение. Цель и задачи исследования.

Повышение прочности сцепления покрытия с деталью на основе анализа механизма формирования остаточных напряжений и технологического управления ими.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Экспериментальное определение температуры частиц до момента ее удара о деталь.

2. Разработка теплофизической математической модели для оценки температуры покрытия и детали при напылении.

3. Построение термомеханической модели формирования остаточных напряжений в системе деталь-покрытие при плазменном напылении.

4. Разработка инженерной методики обоснованного выбора технологических параметров процессов плазменного напыления покрытий по требованиям к уровню остаточных напряжений.

Признаками научной новизны обладают:

5. Теоретическое и экспериментальное определение температуры нагрева частиц порошка с помощью измерения средней толщины напыленных слоев по шлифам.

6. Термомеханическая модель формирования остаточных напряжений в покрытиях машиностроительных деталей с учетом большого числа техноло-

гических параметров.

3. Экспериментальное подтверждение адекватности и точности термомеханической модели формирования остаточных напряжений в системе деталь-покрытие.

4. Научное обоснование области рациональных технологических параметров плазменного напыления многослойных покрытий, обеспечивающих снижение остаточных напряжений в системе деталь-покрытие. Практической значимостью обладают:

1. Инженерная методика обоснованного выбора технологических пара
метров процессов плазменного напыления многослойных покрытий по тре
бованиям к уровню остаточных напряжений, позволяющая:

a. Определять рациональную толщину слоя покрытия, напыляемого
за один проход плазмотрона, количество слоев в покрытии и по
дачу плазматрона;

b. Определять параметры композитных структур промежуточных
слоев покрытия, обеспечивающих снижение уровня остаточных
напряжений.

2. Рекомендации и технологический процесс плазменного нанесения защитных покрытий из материалов W и NiCr на элементы плазмохимического оборудования, которые обеспечили повышение ресурса работы оборудования на 85% и снижение в 7 раз брака готовой продукции.

3. Разработанные в рамках диссертации программы расчета используются также в учебном процессе для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, проводимом на базе лаборатории плазменных технологий кафедры СМ 12 Дмитровского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Достоверность результатов исследования подтверждена корректным использованием математических и экспериментальных методов, сравнением расчетных зависимостей с экспериментальными данными, результатами лабораторных и эксплуатационных испытаний изготовленных натурных деталей.

12 Апробация работы и публикации.

Материалы диссертации доложены на 2 Российских, международных научно-технических конференциях. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ. Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа изложена на 167 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы. На защиту выносится:

Результаты экспериментального определения температуры нагрева частиц порошка в плазменной струе;

Результаты расчета остаточных напряжений на базе теплофизическо-го расчета в системе;

Рекомендации по выбору технологических параметров напыления и выбору толщины при послойном напылении покрытия, а также параметров композитных структур промежуточных слоев между деталью и покрытием.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю д.т.н. проф. В.А. Тарасову, научному консультанту д.т.н. проф. А.Ф. Пузрякову, преподавателям кафедры СМ-12 МГТУ им. Н.Э. Баумана д.т.н. проф. А.А. Барзову, к.т.н. доц. В.И. Колпакову, к.т.н. доц. П.В. Круглову, к.т.н. доц. А. С. Филимонову, а также сотруднику Дмитровского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана к.т.н. А.'А Пузрякову за полезные советы, помощь и поддержку.

Похожие диссертации на Технологическое обеспечение работоспособности машиностроительных деталей с плазменно нанесенными покрытиями на базе снижения уровня остаточных напряжений

Технологические основы обеспечения точности и восстановления работоспособности деталей и узлов текстильных машинМнацаканян Виктория Умедовна

Механика деформирующего протягивания как научная основа оценки качества деталей и работоспособности инструмента с износостойкими покрытиямиЦеханов, Юрий Александрович

Совершенствование технологии обеспечения размерной точности прецизионных деталей типа колец подшипников на основе ультразвуковой стабилизации внутренних напряженийБабенко Марина Геннадиевна

Обеспечение работоспособности машин и оборудования на этапах жизненного цикла технологиями металлоплакированияБуткевич Михаил Николаевич

Обоснование выбора недоминируемого варианта обеспечения работоспособности изделий с учетом технологической наследственностиКраснова Марина Николаевна

Технологическое обеспечение работоспособности металлополимерных подшипников скольжения ходовой части многоцелевых гусеничных машин (МГМ)Звездин Дмитрий Сергеевич

Повышение работоспособности деталей машин и аппаратуры путем восстановления и упрочнения диффузионной металлизацией Гусейнов Алекпер Гюльахмед оглы

Повышение эффективности восстановления работоспособности изношенных деталей на основе обоснованного выбора технологических методов восстановления их эксплуатационных свойствДанилов Павел Алексеевич

Разработка технологии формирования изоляционных покрытий на деталях из алюминиевых сплавов методом микродугового оксидированияПронин Вячеслав Викторович

Технологическое обеспечение качества деталей с износостойкими покрытиями за счёт управления параметрами точности основы и покрытияДианов, Александр Андреевич