Введение к работе
Ддтуадьпость работа. Современная промышленность нуждается в создании защитных покрытий на изделиях. Среди газотермических способов нанесения покрытий особое место занимает процесс плазменного напыления в разреженной контролируемой атмосфере (ПНРКА), который по сравнению с другими процессами нанесения покрытий обладает следующими преимуществами:
наиболее полная защита напыленных материалов от вза-имодействия с воздухом, которая обеспечивается не только созданием защитной атмосферы вокруг процесса, но и низким парциальным давлением химически активных газов - кислорода и азота;
возможность достижения высоких скоростей частиц напыляемого материала;
получение низкопористых и адгезионнопрочных покрытий благодаря напылению мелкими частицами порошка 5-10 мкм, которые в разреженной атмосфере легко разгоняются до высоких скоростей;
совмещение в одном технологическом звене операций напыления, электроочистки и активации.
Данный процесс получил свое промышленное развитие только в конце 70-х годов, когда удалось решить проблему нагрева напыляемых частиц, который резко ухудшался из-за снижения переносных свойств плазмы при пониженном давлении. С тех пор на возможности этого процесса возлагаются большие надежды исследователей, так как только при ПНРКА частицы приобретают и
высокую скорость и высокую температуру.
Однако судя по публикациям за последние годы, очень мало количественных данных о влиянии давления на параметры плазменной струи и на условия движения и нагрева напыляемых частиц в ней. Теоретические представления о процессе ПНРКА также очень скудны. Кроме того, в нашей работе исследования проводились для процесса ПНРКА в «отором используется новый плазмотрон с межэлектродными вставками, способный генерировать сверхзвуковые высокотемпературные потоки плазмы.
Таким образом, создание процесса плазменного напыления в разреженной контролируемой атмосфере явилось результатом совершенствования процессов газотермического напьшения покрытий в целом, но экспериментальных данных о самом процессе имеется очень мало.
Цель работа. Разработка научных и технологических основ плазменного напыления в разреженной контролируемой атмосфере плазмотроном с КЭВ и создание на этой основе эффективных технологических процессов для получения защитных покрытий с повышенной прочностью и низкой пористостью.
Основными задачами данной работы являются:
исследование влияния давления на энергетические характеристики плазмотрона с КЭВ, используемого в процессе ПНРКА;
исследование влияния давления на параметры плазменной струи при различных режимах работы плазмотрона с МЭВ;
исследование влияния давления на движение и нагрев напыляемых частиц при различных режимах процесса ПНРКА;
- определение оптимального режима процесса ПНРКА, при
котором достигается максимальная адгезия покрытия;
разработка и,апробация методики расчета скорости и температуры частиц при ПНРКА;
разработка технологии плазменного напыления износостойких покрытий в защитной атмосфере.
Научная яоваоиа.
-
Влияние давления в камере на энергетические характеристики плазмотрона с МЭВ, используемого в процессе ПНРКА, зависит от расхода плазиообразующего газа: чем меньше расход, тем сильнее влияние давления. Термический КПД и энтальпия плазмы с уменьшением давления возрастают, а среднемассовая температура остается неизменной до 30 кПа, и затем начинает снижаться.
-
С уменьшением давления затухание плазменных струй становится более плавным, особенно это заметно при небольших расходах газа соответствующих ламинарным режимам течения. Струи с переходным режимом течения с понижением давления становятся ламинарными при давлениях 50*60 кПа, а затем в их течении опять возникают возмущения.
-
Зависимости осевой скорости и температурь* плазменной струи от давления в вакуумной камере различные. С уменьшением давления температура плазмы возрастает по линейному закону, а скорость нет.
-
С уменьшением давления скорость напыляемых частиц растет и достигает максимального значения при промежуточном давлении 40+60 кПа.
-
Положительного влияния от повышения скорости частиц
при пониженном давлении на адгезию покрытий удается добиться
только при использовании предварительного подогрева порошка в дозаторе.
6. Предложена методика расчета скорости и температуры частиц с учетом разреженности плазменного потока, которая отразила экспериментально определенный максимум скорости частиц при давлении 40+60 кПа.
Ираждижеская ценность работа. Проведенные исследования процесса ПНРКА позволили определить оптимальные режимы напыления при которых адгезия покрытия максимальна. Максимальная адгезия достигается только при определенном сочетании скорости и температуры напыляемых частиц. В области промежуточных давлений 30-60 кПа, когда скорости частиц максимальны, путем предварительного подогрева порошка в дозаторе удается добиться необходимого сочетания скорости и температуры частиц.
Разработанная методика расчета скорости и температуры частиц позволила теоретически предсказать область оптимальных режимов при давлении 40-50 кПа.
Разработан и реализован предварительный подогрев напыляемого порошка в дозаторе, который позволил повысить качество покрытий при ПНРКА.
Разработана технология плазменного напыления в защитной атмосфере порошка карбид хрома с нихромом для создания прочных, износостойких покрытий.
Апробация работа. Материалы диссертации докладывались на Российской научно-технической конференции "Яерслективяые технологические процессы обработки материалов" - 1995г., С-Петербург; на Международной научно-технической конференции
"Яалыления и покрытия - 95", 1995г., С-Петербург. Для работы
по теме диссертации выделен грант, учрежденный Правительством "-Петербурга и Госкомвузом России на 1996г.
Пуйятсащад. По теме диссертации опубликованы две работы.
Об^ея д сч'руяч'тра дяссертадяд. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы. Содержание работы изложено на 147 страницах машинописного текста; графический материал представлен на 63 рисунках, список литературы содержит 70 наименований.
На в^і^ашу шшосевса:
Результаты исследования влияния давления в камере на энергетические характеристики плазмотрона с МЭВ, параметры плазменной струи, скорость напыляемых частиц и адгезию покрытий.
Методика расчета скорости и температуры напыляемых частиц, с учетом разреженности плазменного потока в процессе ПНРКА.
Принцип выбора оптимального режима процесса ПНРКА на основе проведенных экспериментальных исследований и результатов расчета.
Технологическое решение процесса плазменного напыления в защитной атмосфере покрытий из карбида хрома с нихромом.
Нетодд пссаедоваштя:
Методом калориыетрирования определялись тепловые потери в элементах плазмотрона, с помощью которых рассчитывались термический КПД и энтальпия на срезе сопла плазмотрона.
На различных режимах процесса ПНРКА производилась фотосъемка струи плазмы. По внешнему виду струи судили о харак-
тере ее течения, длина струи определялась по негативам. Масштаб которых определялся сравнением с предварительно снятый негативным изображением камеры с закрепленной в ней линейкой, указывающей расстояние от среза сопла плазмотрона.
Для измерения осевой температуры и скорости плазменного потока на различных расстояниях от среза сопла использовался энтальпийный датчик Грея, стационарно вносимый в плазменную струю. Измерения проводились в диапазоне давлений от 100 до 30 кПа.
Измерение скорости напыляемых частиц производилось при помощи прибора ИССО-1 (измеритель скорости светящихся объектов) при наблюдении за видимыми светящимися треками частиц.
Для определения прочности соединения покрытия с основный металлом (адгезии) использовался штифтовый метод. Кроме того, проводимые металлографические исследования покрытий и испытания их на износостойкость.