Введение к работе
Актуальность работы. В последнее время широкое распространение в машиностроении получил следующий подход к выбору мате-риаловдеталей: механическая и конструкционная прочность достигается за счет применения одного металла, а специальные свойства поверхности обеспечивается сплошным или частично сформированным слоем покрытия с требуемыми характеристиками по износостойкости, по коррозии, антифрикционным и другими свойствам.
Среди различных способов получения покрытий важное место занимает газотермическое напыление, например газопламенное и плазменное. Общим для них является то, что частицы, нагреваясь и ускоряясь в высокотемпературном газовом потоке, поступают на поверхность подложки в виде расплавленных частиц и, ударяясь о нее, деформируются и укрепляются, образуя покрытие Возможность варьирования кинетической энергией частиц в данных способах весьма ограничена, поэтому улучшение качества покрытий достигается перегревом частиц, совершенствованием подготовительных операций по активации поверхности.
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что эффективным способом улучшения качества покрытий является увеличение скорости частиц и снижение их температуры до температуры начала пластической деформации. Справедливость данных утверждений показана на примере детонационного способа напыления, который имеет и свои недостатки: низкая производительность, взры-воопасность, шумность и т.д.
В результате дальнейшего развития технологии напыления был предложен новый способ - "холодное" газодинамическое напыление (ХГН). Название способа указывает на то, что напьшяемые частицы имеют высокие скорости, а температуру ниже температуры плавления. Суть процесса заключается в ускорении двухфазного потока, со-
4 стоящего из несущего газа и частиц напыляемого материала, в сверхзвуковом сопле до скоростей в 1,5-2 раза превышающих скорость звука. В связи с тем, что данный способ реализован сравнительно недавно, многие вопросы по его применению остаются открытыми.
Цель работы. Цель работы состояла в теоретическом исследовании процесса формирования покрытия и создании методики расчета относительной прочности соединения покрытие-подложка, разработке методики расчета сверхзвуковых сопел для ХГН, разработке и создании экспериментального и технологического оборудования, исследовании режимов напыления и свойств полученных покрытий, как из чистых металлов, так и их механических смесей, применении ХГН для решения конкретных технологических задач.
Методы исследования. Теоретические расчеты относительной прочности соединения покрытия с подложкой проводились на IBM PC.
В работе выполнены измерения адгезионной прочности покрытий штифтовым способом, металлографический и фазовый анализ структуры покрытий на установке SPECTROLAB-5, измерение микротвердости на приборе ПМТ-3, химический анализ состава покрытий иодометрическим способом.
Научная новизна. Проведено сравнение метода ХГН с методами сварки холодным деформированием. Показано, что природа соединения частиц металла одинакова, а именно, образование металлических связей на соединяемых поверхностях при их совместном деформировании происходит по активным центрам, образовавшимся при пластическом течении материала подложки и частицы.
Разработана методика и проведен расчет относительной прочности соединения покрытие-подложка путем решения контактной задачи взаимодействия частицы и подложки при ударе. Получены диаграммы изменения относительной прочности соединения в зависимости от скорости и температуры частицы для некоторых пар материа-
лов частица-подложка (Cu-Cu, Cu-Al, Zn-Al, Zn-Cu). Дан анализ зависимости относительной прочности соединения от изменения механических свойств материалов частицы и подложки.
Приведены результаты экспериментальных продувок длинномерных сопел для ХГН. Разработана методика расчета сверхзвуковых сопел для ХГН, работающих в режиме перерасширения двухфазного потока.
Исследованы свойства полученных покрытий из чистых металлов и их механических смесей. Показано, что при напылении механических смесей на режимах с пониженными скоростями и температурами, формирование пограничного слоя происходит за счет закрепления на подложке частиц более пластичной фракции, прочностные свойства которой определяют адгезию покрытия.
Практическая ценность. Полученные результаты позволят расширить область применения метода ХГН для получения покрытий при ограниченном тепловом воздействии на подложку.
Применение теории контактного взаимодействия тел для оценки относительной прочности соединения покрытие-подложка позволит определить температурно-скоростные характеристики режимов напыления.
Проведенные расчеты и результаты экспериментальных исследований с применением сопел, работающих з режиме перерасширення двухфазного потока, позволит снизить энергетические затраты при напылении.
На основе полученных результатов спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, позволяющая получать покрытия из металлов и их механических смесей, используя в качестве рабочего газа подогретый воздух. Данная установка является основой для проектирования промышленного ручного и автоматизированного инструмента.
На основе полученных результатов разработаны и опробованы технологии восстановления местного износа контактного провода железных дорог без его демонтажа и исправления литейного брака в деталях из алюминиевых сплавов, что подтверждено актами испытаний.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались:
на научных семинарах кафедры "Техническая физика" МГИУ,
на 2-ой Всесоюзной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ и получен один патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы составляет 138 страниц машинописного текста,30 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 43 наименований.
