Введение к работе
Актуальность проблемы.
Одним из немногих радикальных средств повышения эксплуатационных средств деталей является создание деталей со специальными свойствами поверхностного слоя, экономически более целесообразное, чем модифицирование всего объема материала детали. Формообразование деталей и формирование поверхностного слоя с заданными свойствами осуществляется в настоящее время резанием, поверхностным пластическим деформированием и электрофизикохимическими методами. Упрочнение механическим наклепом, газотермические и вакуумно-плазменные покрытия, закалка и оплавление электронным и лазерными лучами, детонационные покрытия, магнито-флуктуационная обработка, ионная имплантация уже сегодня позволяют кардинально (в десятки раз) повысить долговечность деталей.
Одним из наиболее эффективных способов повышения ресурса и надежности работы деталей является ионно-плазменная обработка их поверхности в вакууме плазмой вакуумно-дугового разряда. Обеспечивая высокую чистоту процесса, данный метод позволяет за счет ионного распыления поверхности осуществлять процесс удаления материала, очистку поверхности от загрязнений и оксидных пленок, легирование поверхностного объема, в ряде случаев проводить шлифовку и полировку поверхности, осуществлять обработку поверхности с нанесением покрытий, существенно повышая при этом механическую прочность деталей, улучшая их антикоррозионные свойства и сопротивление износу, изменяя коэффициенты трения, повышая теплоза-щитность деталей и т.д. Метод, первоначально разрабатываемый для упрочнения режущего инструмента, до настоящего времени при всех его преимуществах все еще не нашел широкого распространения для разнообразных нужд промышленности. Связано это как с особенностями самого процесса, формирующего в традиционном исполнении неравномерные по плотности тока плазменные потоки и с наличием дефектов в виде микрокапель, так и с отсутствием соответствующего оборудования, не позволяющего обрабатывать крупногабаритные изделия и изделия сложной формы. Поэтому изучение закономерностей и взаимосвязей процессов формирования плазменных потоков, их транспортировки и взаимодействия с обрабатываемой поверхностью в экологически чистых и ресурсосберегшоера 4<4I)lintXJti№IW ких
ГШОИ
процессах формообразования деталей, а также разработка элементов технологического оборудования и технологических установок, расширяющих области использования метода вакуумной ионно-плазменной обработки является актуальной задачей, имеющей большое народнохозяйственное значение.
Целью данной работы является создание оборудования и технологических основ направленного улучшения свойств поверхностных слоев твердых тел, обработанных потоками металлической плазмы в вакууме для повышения работоспособности и срока службы крупногабаритных деталей сложной геометрической формы.
Для решения поставленной цели решались следующие задачи:
Создание технологического оборудования для поверхностной обработки крупногабаритных деталей сложной геометрической формы потоками металлической плазмы в вакууме.
Разработка методов управления и систем транспортировки потоков металлической плазмы для равномерной обработки поверхности.
Создание вакуумно-дуговых испарителей протяжённой конструкции с управляемой диаграммой направленности плазменного потока.
Совершенствование зондовой диагностики основных параметров плазменных потоков, влияющих на свойства обрабатываемых поверхностей.
Исследование теплового режима катода плазменного источника испаряемого материала.
Разработка новых технологических процессов нанесения покрытий на созданном оборудовании для изделий сложной геометрической формы и исследование свойств покрытий.
Экспериментальное исследование поверхностных свойств изделий, модифицированных процессом комбинированной обработки - плазмой вакуумно-дугового разряда с последующей магнитно-импульсной обработкой.
8. Реализация предложенных разработок в промышленности.
Научная новизна:
- Исследована кинетика формирования вакуумно-дуговых коррозионно-стойких покрытий на лопатки стационарных энергетических газовых турбин с учётом процессов испарения наносимого материала, транспортировки плазменного потока и его взаимодействия с обрабатываемой поверхностью.
-Для упрощенной физической модели нагрева катода вакуумно-дугового испарителя получено аналитическое выражение, определяющее за-
висимость тока дугового разряда от времени для поддержания температуры катода на заданном уровне.
Разработаны режимы термической обработки сплавов CoCrAlY, позволяющие за счёт ступенчатого или термоциклического отжига повысить пластичность и технологичность при обработке резанием катодов для вакуумно-дуговых установок из этого материала.
Исследованы механизмы управления направленным движением катодных пятен вакуумной дуги по протяженной поверхности и созданы источники плазменных потоков с управляемой диаграммой направленности и с повышенной равномерностью испарения материала с боковой поверхности цилиндрического катода.
-Предложена математическая модель и разработаны принципы транспортировки потоков металлической плазмы для формирования равномерного покрытия по толщине с прогнозируемой шероховатостью поверхностного слоя.
Усовершенствована математическая модель и получено аналитическое выражение, позволяющие повысить точность измерений параметров потока металлической плазмы с помощью одиночного электростатического зонда.
Установлено положительное влияние магнитно-импульсной обработки на адгезионные свойства TIN покрытия, способствующее уменьшению на десятки процентов износа деталей с таким покрытием.
Практическая ценность:
Разработаны новые технологические процессы, элементы оборудования и технологические установки, впервые реализованные в промышленности при формообразовании новых деталей.
Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным совпадением результатов расчётов и экспериментов; положительным эффектом внедрения разработанных устройств и технологий в опытно-промышленных условиях и серийном производстве.
Реализация в промышленности. Разработанные на уровне патентов устройства для обработки деталей использованы при создании технологического оборудования. Впервые технология вакуумно-дугового нанесения кор-розионностойких покрытий реализована применительно к лопаткам стационарных газовых турбин (ГТ-100); опытная партия лопаток установлена в реальных турбинах для опытно-промышленной эксплуатации. Результаты дис-
сертационной работы впервые использованы в серийном производстве мощных генераторных ламп объединения «Светлана» и применительно к другим изделиям на предприятиях Санкт-Петербурга.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах: «Генераторы низкотемпературной плазмы» в Новосибирске в 1989 г., «Современное электротермическое оборудование для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента» в Москве в 1990 г., «Поверхностный слой, точность и эксплуатационные свойства деталей машин» в Москве в 1991 г., «Газотермическое напыление в промышленности-93» в Санкт-Петербурге в 1993 г., «Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надёжности и долговечности изделий» в Запорожье в 1998 г., «Пленки и покрытия-98» в Санкт-Петербурге в 1998 г. и «Пленки и покрытия-2001» в Санкт-Петербурге в 2001 г., «Физические свойства металлов и сплавов» в Екатеринбурге в 2003 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, изложенных на 150 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 12 таблиц, список литературы, включающий 131 наименование.
