Содержание к диссертации
Введение
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 16
1.1 Анализ газотермических методов нанесения защитных покрытий. ... 16
1.2 Принцип получения сверхзвуковой газовой струи при наплавке 22
1.3 Анализ технологий и оборудования для нанесения защитных покрытий методами газопорошкового напыления и наплавки 24
1.4. Физико-химические свойства сжиженных горючих газов,
используемых в установках для нанесения защитных покрытий 35
1.5. Материалы, используемые для создания защитных покрытий 39
1.6. Основные подходы к измерению температуры сверхзвуковых газовых струй 42
1.7. Постановка цели и задач исследования 49
2. МЕТОДИКИ И АППАРАТУРА ДИАГНОСТИКИ СВЕРХЗВУКОВЫХ ГАЗОВЫХ СТРУЙ В ПРОЦЕССЕ НАПЛАВКИ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ...51
2.1. Оборудование для измерения расхода рабочих газов при сверхзвуковой газопорошковой наплавке 51
2.2. Оборудование для измерения температуры сверхзвуковой газопламенной струи 54
2.3. Оборудование для регистрации спектра сверхзвуковой струи 56
2.4. Оборудование для измерения скорости пролета порошковых материалов в газопорошковой струе 60
2.5. Методы исследования наплавленных покрытий 67
2.6. Обеспечение достоверности результатов измерения 71
ВЫВОДЫ 73
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СВЕРХЗВУКОВЫХ ГАЗОВЫХ И ГАЗОПОРОШКОВЫХ СТРУЙ В ПРОЦЕССЕ НАПЛАВКИ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ 74
3.1. Исследования расхода рабочих газов при сверхзвуковой газопорошковой наплавке 74
3.2. Исследования температуры нагрева сверхзвуковой газовой струи 79
3.3. Исследования спектра излучения сверхзвуковой газовой струи 87
3.4. Исследования спектра излучения сверхзвуковой газопорошковой струи 96
3.5. Исследование распределения частиц порошкового сплава в сверхзвуковой газопорошковой струе 106
4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 109
4.1. Анализ существующих видов износа деталей насосного оборудования 109
4.2. Практическая апробация рациональных режимов сверхзвуковой газопорошковой износостойкой наплавки на изнашиваемых поверхностях промышленного изделия 110
4.3. Предварительные экспериментальные исследования структуры и свойств покрытий, наплавленных на рациональных режимах 111
4.4. Практическое использование технологии сверхзвуковой газопорошковой наплавки износостойких покрытий на предприятии ООО
«Энерготех» (г. Барнаул). 114
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 119
ЛИТЕРАТУРА 120
ПРИЛОЖЕНИЯ 126
- Анализ газотермических методов нанесения защитных покрытий.
- Оборудование для измерения расхода рабочих газов при сверхзвуковой газопорошковой наплавке
- Исследования расхода рабочих газов при сверхзвуковой газопорошковой наплавке
Введение к работе
Актуальность работы. Высокие механические и тепловые нагрузки, воздействие различных агрессивных сред на детали, сопровождающие работу технологического оборудования вызывают износ и повышенный риск возникновения аварий и техногенных катастроф в машиностроении и энергетике. Важнейший показатель надежности и долговечности оборудования - состояние поверхностного слоя его деталей, так как разрушение конструкционного материала начинается с его поверхности. Образование различных дефектов на поверхности изделия вследствие абразивного износа, воздействия активных сред и т.д. приводит к потере необходимых качественных характеристик деталей оборудования.
В мире большое распространение получил процесс напыления защитных покрытий сверхзвуковыми газовыми струями. В этом процессе используются напылительные порошки фракцией до 10 мкм, производимые исключительно за рубежом. Однако, как известно, все процессы напыления имеют существенный недостаток, ограничивающий их промышленное применение - вероятность отслоения покрытия из-за его относительно низкой прочности сцепления с основой.
Кардинально решить эту проблему возможно с помощью замены напылительных процессов наплавкой износостойких материалов, в частности новым эффективным процессом - сверхзвуковой газопорошковой наплавкой (СГП-наплавкой). Отличительной технологической особенностью СГП-наплавки является более высокая концентрация энергии газопламенного источника нагрева при увеличении скорости истечения газовых потоков на срезе сопла газопламенной установки. При этом влияние характеристик самого пламени на свойства наплавляемого защитного покрытия является очевидным.
Характерным для СГП-наплавки сплавов на основе никель-хром-бор-кремний фракции 40... 100 мкм является образование наплавленного защитного покрытия со структурой, представляющей Ni-матрипу с равномерно распределенными раздробленными карбидами. Это позволяет увеличить износостойкость поверхностей оборудования в 8... 12 раз.
В процессах сверхзвуковой газопорошковой наплавки главным технологическим инструментом получения покрытия является сверхзвуковая газопорошковая струя - сверхзвуковой поток горящей газовой смеси с летящими частицами порошкового сплава ПГ-СРЗ. На данный момент физические процессы горения различных топлив и горючих смесей достаточно изучены, однако мало внимания уделяется изучению физических процессов, происходящих в газопорошковых струях в технологических процессах нанесения защитных покрытий.
Выявление законов формирования защитного покрытия и коэффициентов влияния технологических и физических параметров газопорошковой струи в процессе СГП-наплавки на эксплуатационные свойства наплавленного покрытия позволит получать покрытие с заранее прогнозируемыми свойствами при обеспечении рационального диапазона режимов процесса.
Ввиду новизны и сложности процесса газопорошковой наплавки её технологические параметры практически не изучены. При этом, как показали предварительные исследования, основными технологическими параметрами являются: распределение температуры в факеле пламени и распределение порошковых частиц в пролетном пространстве сверхзвукового газопламенного потока. В этой связи актуальной является проблема обоснованного выбора диапазонов технологических параметров сверхзвуковой газопорошковой струи, при которых обеспечиваются наилучшие качественные характеристики наплавляемого покрытия.
Цель работы. Повышение износостойкости наплавленных покрытий, выполненных способом сверхзвуковой газопорошковой наплавки путём выбора рациональных технологических параметров на основе диагностики сверхзвуковых газопорошковых струй.
Для достижения сформулированной цели работы решались следующие научные и прикладные задачи:
1. Выявить основные критерии качества и технологические параметры
сверхзвуковой газопорошковой струи, наиболее сильно влияющие на
износостойкость наплавляемых покрытий.
Провести анализ и обоснованный выбор методов исследования основных параметров сверхзвуковых газопорошковых струй.
Разработать комплексную методику диагностики параметров сверхзвуковой газопорошковой струи.
Установить зависимость структуры и износостойкости защитных покрытий от основных диагностируемых параметров сверхзвукового газопорошкового потока и определить рациональные режимы процесса наплавки.
Методы исследований. Для исследования сверхзвуковых газопорошковых струй и наплавленных ими покрытий в работе были применены стандартные и оригинальные методы: ротаметрия, оптическая пирометрия, эмиссионная оптическая спектроскопия, высокоскоростная фотосъемка, световая микроскопия, рентгеноструктурныи анализ покрытий, дюрометрия и метод испытания на абразивное изнашивание при трении о закрепленные абразивные частицы (ГОСТ 17367-71), а также программные продукты Lab VIEW 7.1, Origin 8.0, «Прогноз-техно».
Получение достоверных результатов достигалось использованием современного технологического оборудования, серийных и опытных приборов, компьютерной техники, стандартных методов экспериментальных и теоретических исследований, а также необходимым количеством повторений опытов.
Научная новизна работы:
1. Выявлены основные технологические параметры процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки порошковых сплавов системы Ni-Cr-B-Si фракцией 40... 100 мкм (общий расход Q, соотношение рабочих газов (3 и рабочее расстояние L) и критерии качества газопорошковых струй (длина факела пламени 1, температура пламени Т, плотность газопорошкового потока р), в наибольшей
степени влияющие на структурные характеристики и износостойкость наплавляемых покрытий.
2. Определены закономерности распределения интенсивности излучения
молекул Сг (полос Свана) и атомов углерода С в зависимости от режимов
сверхзвукового горения газовой смеси и газопорошковой наплавки по длине
пламени. Установлена зависимость интенсивности излучения от расхода Q и
соотношения (З рабочих газов (кислород/пропан) и рабочего расстояния от среза
сопла до наплавляемого изделия. На основании этого определен рациональный
диапазон значений рабочих расстояний L=20...30 мм от среза сопла и соотношений
рабочих газов (3=1,1... 1,3 для формирования качественных защитных покрытий.
3. Установлено, что покрытия, наплавленные порошковыми сплавами системы
Ni-Cr-B-Si на рекомендованных диагностированных технологических режимах
характеризуются мелкой карбидонасыщенной структурой на основе у-фазы,
отвечающей требованиям износостойкости, в отличие от дендритной структуры
покрытий, наплавленных на нерациональных режимах.
Практическая значимость работы.
1. Разработан комплексный алгоритм диагностики сверхзвуковых
газопорошковых струй, позволяющий выявить рациональные технологические
режимы процесса износостойкой наплавки.
2. Выявлены рациональные технологические режимы СГП-наплавки,
позволяющие наносить защитные покрытия на основе порошковых сплавов
системы Ni-Cr-B-Si фракцией 40...100 мкм на быстроизнашиваемых деталях
кавитационного оборудования.
3. Полученные результаты работы апробированы в процессе газопорошковой
наплавки износостойких покрытий на изнашиваемые поверхности лопастей
крыльчатки кавитационного насоса-измельчителя и переданы для внедрения в ООО
«Энерготех» (г. Барнаул). Расчетный экономический эффект от внедрения
разработанной технологии на одной крыльчатке составляет 16 тыс. рублей на один
насос в год.
Вклад автора состоит в анализе научной и технической литературы по исследуемой теме, постановке задачи исследования, выборе и разработке методик исследования, обработке полученных экспериментальных данных, формулировании основных выводов по работе.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на региональных, всероссийских и международных конференциях:
3-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь». - г. Барнаул, 2006, 2009 г.; Всероссийской конференции по приоритетному направлению программы «Энергетика и энегосбережение». - г. Томск, 2006 г.; The Thirteenth International Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduetes and Young Scientists «Modern Techniques and Technologies». - Tomsk, 2007; IX Городской научно-практической конференции молодых ученых «Молодежь-Барнаулу». - г. Барнаул, 2008 г.; The Third International Forum on Strategic Technologies (IFOST-2008). - г. Новосибирск,
2008. Результаты диссертационного исследования выносились на обсуждение на объединённых научно-технических семинарах кафедр «Малый бизнес и сварочное производство» и «Автоматизированный электропривод и электротехнологии» АлтГТУ им. И.И.Ползунова.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 1 публикация в журнале из списка, рекомендованного ВАК, публикации в сборниках докладов на международных и региональных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Диссертация изложена на 129 страницах, в том числе содержит 74 рисунка, 30 таблиц, список литературы из 75 наименований.
Анализ газотермических методов нанесения защитных покрытий
Использование покрытий на деталях технологического оборудования является качественным скачком в развитии промышленности. В настоящее время ресурсо- и энергосберегающие технологии нанесения защитных покрытий получили широкое распространение, так как во многих случаях целесообразно упрочнять не всю деталь, а достаточно нанести покрытие с лучшими характеристиками материала на изнашиваемые участки [6]. Использование покрытий позволяет увеличить срок службы деталей оборудования путем повышения их износо-, термо-, и коррозионной стойкости, а так же возможности восстановления деталей.
На данный момент в промышленности разрабатываются и применяются различные способы нанесения защитных покрытий. Следует выделить газотермические покрытия, получаемые напылением металлов, сплавов, керамики, полимерных и композиционных материалов посредством использования теплоты сжигания горючей смеси или теплоты дугового разряда в газовых средах. Особенности газотермического напыления - относительная техническая простота, высокая производительность, возможность нанесения покрытий сравнительно большой толщины с широким спектром эксплуатационных свойств [7,8].
Наиболее распространенны следующие способы газотермического напыления защитных покрытий [9]:
- плазменный;
- детонационно-газовый;
- газопламенный.
Плазменное напыление, разработанное в 40-х годах XIX столетия, в настоящее время интенсивно используется в России. При этом способе напыления используется явление дугового разряда, в плазмотроне сильно ионизированные газы находятся в плазменном состоянии. Температура газов в плазменной струе достигает 15000...20000 К, скорость потока- порядка 400 м/с [10,11].
В пламенную струю подают материал покрытия в виде проволоки или порошка. Материал покрытия распыляется, расплавляется и подается к поверхности детали. Частицы порошка сплавляются с основой, образуя защитное покрытие, сила сцепления с подложкой которого достигает 30...40 МПа. Подогрев подложки и порошка, напыление в вакууме позволяют повысить прочность сцепления покрытия. С целью повышения качества и долговечности плазменные покрытия оплавляют лазерным или электронным лучом. Оплавление покрытия происходит без разогрева всей массы детали, а последующее быстрое охлаждение позволяет зафиксировать мелкодисперсную структуру и получать высокую твердость и износостойкость.
Основные преимущества плазменного напыления:
- сравнительно низкие термические нагрузки на детали; возможность создания окислительной, восстановительной или нейтральной атмосферы;
- обеспечение нанесения тугоплавких материалов.
К недостаткам плазменного напыления относятся высокая пористость и низкая плотность получаемых покрытий, недостаточное сцепление покрытий с подложкой, возникновение термических напряжений в деталях, подлежащих напылению, а так же значительная энергоемкость процесса.
При детонационно-газовом напылении для нагрева и ускорения наносимых порошковых материалов используется энергия взрыва смесей горючих газов с окислителями. Детонационные покрытия отличаются высокой твердостью, износо-, и жаростойкостью [12, 13].
Преимущества детонационно-газового напыления:
- высокая прочность сцепления покрытий с защищаемой поверхностью (достигает 360 МПа, что на порядок выше значений у покрытий, нанесенных другими методами);
class2 МЕТОДИКИ И АППАРАТУРА ДИАГНОСТИКИ СВЕРХЗВУКОВЫХ ГАЗОВЫХ СТРУЙ В ПРОЦЕССЕ НАПЛАВКИ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ.. class2 .51
Оборудование для измерения расхода рабочих газов при сверхзвуковой газопорошковой наплавке
Наиболее важными технологическими параметрами, определяющими качественные характеристики наплавляемого покрытия при сверхзвуковой газопорошковой наплавке являются температурные и скоростные параметры газопорошковой струи. Эти параметры зависят от конфигурации сопла, дистанции наплавки, времени нагрева подложки и времени формирования наплавленного слоя, а также расхода и соотношения рабочих газов.
В качестве средства контроля за расходом рабочих газов в большинстве предлагаемых на рынке сверхзвуковых и дозвуковых газопламенных установок используются ротаметры, примером служит установка для газопламенного напыления ТСЗП-MDP-l 15, где помимо пистолета для газопламенного напыления MDP-115 и блока управления введен также блок газоподготовки, содержащий сдвоенный ротаметр для регулирования расхода кислорода и ацетилена и систему подготовки воздуха с масло - и влагоотделителями, манометром и регулирующими вентилями, общий вид блока газоподготовки Для разработки блока газоподготовки использовались промышленно выпускаемые ротаметры РМ4-2,5ГУЗ [55] - для измерения расхода кислорода, и РМ-0,4ГУЗ - для измерения расхода пропана.
Значения избыточных давлений рабочих газов регулировались в диапазонах: РКислоРода= 4,5...5 атм, РПропана = 1,5...3 атм. Плотность кислорода при нормальных условиях принималась - 1,429 кг/м [56], плотность пропана при нормальных условиях - 1,867 кг/м [57].
Пересчет градуировочной характеристики ротаметра проводился по следующей формуле:
где Q2 - расход измеряемого газа в рабочих условиях, м7ч; Qi - расход воздуха при градуировке, м /ч; - плотность воздуха в нормальных условиях, равная 1,208 кг/м3; р2н - плотность измеряемого газа в нормальных условиях, кг/м3; Pi - абсолютное давление воздуха при градуировке, МПа (кгс/см2); Р2 - абсолютное давление газа в рабочих условиях, МПа (кгс/см2); Ті - температура воздуха при градуировке по шкале Кельвина, К; Т2 - температура газа в рабочих условиях по шкале Кельвина, К. Соответственно формулы перерасчета для кислорода и пропана имеют вид:
Исследования расхода рабочих газов при сверхзвуковой газопорошковой наплавке
В экспериментах использовалась установка для сверхзвуковой газопорошковой наплавки, снабженная рассчитанным соплом Лаваля с числом Маха М5 и ротаметрический стенд расхода рабочих газов. Регулирование подачи рабочих газов осуществлялось в ручном режиме при помощи вентилей.
Экспериментальные исследования проведены для трех основных режимов (режимы №5...7) сверхзвукового горения с варьируемыми значениями общего расхода рабочих газов Qo6uii=0,675; 0,625; 0,57 м7ч, соотношение рабочих газов кислород-пропан составляло 1,76...1,85. Данное соотношение позволяет получить требуемую температуру нагрева при сохранении качественных характеристик самой струи. Режимы №5... 7 обеспечивают наиболее устойчивый процесс сверхзвукового горения со стабильными геометрическими размерами и четкими границами факела струи, однако из-за высокого коэффициента (3=1,76-1,85 данные режимы не позволяют производить наплавку защитного покрытия так как приводят к интенсивному окислению подложки при нагреве и несплавлению порошка с основой.
Значения ИЗбыТОЧНЫХ Давлений рабочих ГаЗОВ: Ркислорода 5 aTM, Рпропана = 1,5 атм. Плотность кислорода при нормальных условиях - 1,429 кг/м3, плотность пропана при нормальных условиях - 1,867 кг/м3 [28, 29].
Анализ спектра сверхзвукового газового пламени производился на расстоянии 0, 10, 20, 30, 40 и 50 мм по оси пламени от среза сопла.
В зависимости от числового значения расхода рабочих газов, определяющего режим горения сверхзвуковой газовой струи, принято условное деление основных режимов на: режим низкой (0061111-0,57 м3/ч), средней (Qo6m2=0,625 м3/ч) и высокой (QoGui3=0,625 м3/ч) интенсивности.
Режим сверхзвукового горения №7
На рисунках 3.12-3.14 приведены спектры сверхзвуковой струи в зависимости от расстояния 0, 10, 20, 30, 40, и 50 мм по оси пламени от среза сопла. Анализ спектров показал, что в ядре интенсивное излучение происходит в ультрафиолетовой области спектра. Однако с увеличением расстояния излучение смещается в сторону инфракрасной области. При этом появляется отчетливый пик при длине волны А,=589,6 нм, связанный с наличием в струе паров натрия.
При анализе результатов экспериментов использовались фотографии спектров излучения молекул [46, 69]. Были идентифицированы полосы спектра ядра сверхзвукового пламени: обнаружены полосы молекул Сг (полосы Свана), соответствующие длинам волн - 438,3 нм, 473,7 нм, 516,5 нм, 563,6 нм и 619,1 нм. Из литературы [70] известно, что появление радикала Сі наблюдается вблизи зоны максимальной температуры. Таким образом, установлено, что температура пламени максимальна в области, где наблюдается наиболее интенсивное излучение полос Свана.
