Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 9
1.1. Особенности плазменного напыления износостойких покрытий на подложку из алшиниевого сплава 9
1.2. Особенности напряженного состояния покрытий, полученных методом плазменного напыления 17
1.3. Экспериментальное определение величины остаточных напряжений 25
1.4. Методы аналигического определения напряженного состояния соединения "покрытие-подложка" 28
1.5. Особенности тепловых процессов при плазменном напылении 34
1.6. Выводы и постановка задач исследования 37
2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ 40
2.1. Исследование прочности сцепления NL-CT—В~SL -покрытий с подложкой из алюминиевого сплава. 40
2.1.1. Определение влияния параметров режима напыления на прочность сцепления 43
2.1.2. Повышение прочности сцепления с помощью нанесения промежуточных покрытий 47
2.1.3. Влияние резьбовой подготовки поверхности основы на прочность сцепления покрытия с подложкой 51
2.2. Определение предела прочности плазменных Ni.-Oz-6-JSi --покрытий. 59
2.3. Определение температурных зависимостей величины модуля упругости NL-Cz-Q-$L -покрытий 70
2.4. Определение коэффициента температурного расширения... 77
2.5. Выводы 86
3. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В СОВДНЕНИИ "ПОКШТИЕ-ПОДЛОЖКА" 89
3.1. Исследование тепловложения в подложку высокотемпературным газовым потоком. 89
3.1.1. Определение распределения тепловложения по пятну нагрева 90
3.1.2. Определение зависимости тепловложения от параметров режима напыления 94
3.2. Расчет температуры подложки при нагреве высокотемпературным газовым потоком 105
3.3. Температурное поле в подложке от тепла, внесенного напыленным покрытием 112
3.4. Расчет суммарного температурного поля в соединении "покрытие-подложка" 123
3.5. Выводы 129
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ НАПРЖЕНИЙ В Ni-Cz-BSL -ПО
КРЫТИИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕКНОЛОГИЙ ЕГО НАПЫЛЕНИЯ 131
4.1. Выбор модели для расчета напряженного состояния соединения "покрытие-подложка" 131
4.2. Расчет временных и остаточных напряжений в плазменных покрытиях 134
4.3. Стенд для экспериментального определения временных и остаточных напряжений в соединении "покрытие-подложка" 146
4.4. Расчет и экспериментальное определение напряженного состояния плазменных NL-CZ 6~SL -покрытий, напыленных на алюминиевую основу 154
4.5. Повышение технологической прочности плазменных NL~Cz~diSL -покрытий при напылении на отмеривающие барабаны ткацких станков P-I25A 172
4.6. Выводы 175
ВЫВОЫ 178
ЛИТЕРАТУРА 182
ПРИЛОЖЕНИЕ 196
- Особенности плазменного напыления износостойких покрытий на подложку из алшиниевого сплава
- Исследование прочности сцепления NL-CT—В~SL -покрытий с подложкой из алюминиевого сплава.
- Исследование тепловложения в подложку высокотемпературным газовым потоком.
- Выбор модели для расчета напряженного состояния соединения "покрытие-подложка"
Особенности плазменного напыления износостойких покрытий на подложку из алшиниевого сплава
Широкое использование алюминиевых сплавов обусловлено рядом их достоинств как конструкционных материалов. В частности, высокая электропроводность и теплопроводность, коррозионная стойкость, достаточная механическая прочность и некоторые другие свойства предопределяют широкие перспективы использования их в различных механизмах и конструкциях в качестве заменителя таких традиционных материалов, как чугун и сталь. Однако низкие фрикционные характеристики и недостаточная износостойкость ограничивают их применение. Таким образом, возникает необходимость поверхностного упрочнения деталей, изготовленных из алюминиевых сплавов. Одним из методов повышения износостойкости является нанесение на рабочие поверхности деталей защитных покрытий.
Наиболее распространенным методом нанесения защитных покрытий является наплавка, используемая также и для восстановления подверженных износу деталей. Но все известные опособы наплавки имеют ряд недостатков, главный из которых - сложность создания достаточно тонкого и равномерного слоя, имеющего чистую поверхность Щ. К тому же, значительное тепловое вложение в основной металл, сопровождающее процесс наплавки, затрудняет использование данного метода для нанесения защитных покрытий на детали,из-готовленные из алюминиевых сплавов.
Большие возможности для поверхностного упрочнения алюминиевых сплавов предоставляет нанесение покрытий с помощью детонационного, плазменного или газоплазменного напыления [2] . Хотя детонационные покрытия более плотные и имеют лучшее сцепление с подложкой, наиболее перспективными методами в области нанесения тонкослойных покрытий являются газоплазменное или плазменное напыление [3,4]. Покрытия, полученные с помощью этих методов, так же как детонационные, хорошо работают на износ, но использование их в серийном производстве экономически оказывается более целесообразным [2] . В свою очередь, напыление с помощью низкотемпературной плазмы, по сравнению с газоплазменным способом, обеспечивает более высокую производительность процессов, меньшую окис-ленность напыленного слоя, более высокую плотность и равномерность нанесения покрытий. Технология плазменного напыления позволяет наносить покрытия с толщиной, соизмеримой с допуском на износ, при этом практически не ограничено количество регенераций изделия.
Исследование прочности сцепления NL-CT—В~SL -покрытий с подложкой из алюминиевого сплава
Исследования прочности сцепления проводились с целью повышения технологической и эксплуатационной прочности Nl-Cz-b-Si -покрытий. В соответствии с рекомендациями по повышению прочности сцепления плазменных покрытий с основой из алюминиевых сплавов (раздел I.I) исследования проводились в следующих направлениях:
.I) определение влияния параметров режима напыления на прочность сцепления;
2) повышение прочности сцепления за счет напыления промежуточных покрытий;
3) повышение прочности сцепления за счет использования резьбовой подготовки поверхности подложки.
В настоящее время проведение испытаний на прочность сцепления плазменных покрытий с подложкой ГОСТом не регламентировано. В связи с этим в данной работе использовался метод вытягивания конического штифта, наиболее хорошо зарекомендовавший себя при проведении подобных исследований [56-58]. Сущность этого метода заключается в разрушении переходной зоны "покрытие-подложка" на заданном участке образца (рис.2.1), ограниченном торцевой поверхностью штифта. Основным его преимуществом является приложение разрушающей нагрузки через штифт непосредственно к контактной зоне.
Методика проведения испытаний состоит из трех последовательных этапов:
1) подготовка образцов перед напылением;
2) нанесение покрытия;
3) определение прочности сцепления покрытия с подложкой. Первый этап включает в себя сборку образцов и подготовку их поверхности под напыление. При сборке образцов особое внимание уделялось качеству сопряжения конусной поверхности штифта с внутренним отверстием шайбы. Для лучшей сборки использовалась взаимная притирка деталей, после чего штифт фиксировался с помощью стопорного винта. Выступающая часть штифта стачивалась заподлицо с поверхностью шайбы, на которую наносится покрытие. Подготовка поверхности образца под напыление производилась обдувкой чугунной крошкой. Возникающий при этом наклеп, может привести к заклиниванию штифта, поэтому выполнялся обязательный контроль его свободного хода при вывернутом стопорном винте.
Исследование тепловложения в подложку высокотемпературным газовым потоком
Для реализации расчетных методов определения температурных полей в подложке при плазменном напылении на нее защитных покрытий необходимо иметь данные о фактическом тепловложении в подложку как от напыленного покрытия, так и от высокотемпературного газового потока. Поскольку получение общих зависимостей, описывающих влияние отдельных параметров режима напыления на величину тепловложения, сопряжено со значительными трудностями, обусловленными неявной связью конструктивных особенностей плазмотрона с тепловыми характеристиками газового потока, в данной работе проводились исследования тепловложения в подложку только для стандартного плазмотрона марки ГН-5М, входящего в комплект установки УПУ-ЗМ.
class4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ НАПРЖЕНИЙ В Ni-Cz-BSL -ПО
КРЫТИИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕКНОЛОГИЙ ЕГО НАПЫЛЕНИЯ class4
Выбор модели для расчета напряженного состояния соединения "покрытие-подложка"
В соответствии с рекомендациями, данными В.И.Махненко применительно к расчету кинетики сварочных напряжений и деформаций, общая задача построения расчетной модели сводится к трем частным задачам [97]:
1) выбор механической модели, т.е. математической схемы напряженного состояния и геометрии деформации;
2) выбор физической модели, определяющей связь между характеристиками деформированного и напряженного состояния;
3) математическое описание возмущающих факторов и граничных условий.
При выборе механической модели реальное тело аппроксимировалось однородным, изотропным континиумом. Подобная идеализация оправдана для решения поставленной задачи расчета напряжений и деформаций I рода [98,99] и позволяет использовать основные положения классической теории напряжений и деформаций [7,100-102].
Физическая модель построена на основе известных теорий об упруго-пластическом деформировании. Решение упруго-пластической задачи для рассматриваемого случая плазменного напыления производилось при аппроксимации покрытия идеально пластичным телом. Относительно небольшие температурные деформации покрытия при остывании - порядка 1% - позволяют использовать теорию малых упруго-пластических деформаций (деформационную теорию), согласно которой пластическое деформирование происходит без упрочнения материала.
Деформационная теория основана на предположении, что между напряжениями и деформациями существует однозначная связь как для процессов нагружения, так и для процессов разгрузки. Кроме того, в данной теории предполагается, что зависимость средней линейной деформации от среднего нормального напряжения в пластической области такая же, как в пределах упругости [100,102-104].
Условием перехода в пластическое состояние является напряженное состояние рассматриваемого тела, поскольку оно однозначно определяется предшествующим процессом упругого деформирования. В данной работе используется наиболее обоснованное и широко применяемое условие пластичности, выдвинутое М.Губером и Р.Мизесом [Ї05,І0б], согласно которому при пластическом состоянии интенсивность напряжений постоянно равна напряжению текучести.
В качестве основного возмущающего фактора при расчете напряженно-деформированного состояния соединения "покрытие-подложка" принято неравномерное температурное поле в изделии, математическое описание которого приведено в предыдущей главе.
Как указывалось ранее, прикладное значение расчета временных и остаточных напряжений заключается в разработке рекомендаций по повышению технологической прочности покрытия. Принимая во внимание, что толщина наносимого за один проход покрытия достаточно мала по сравнению с его шириной, общий случай определения напряженного состояния покрытия можно свести к плоской задаче.
