Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы нанесения детонационных покрытий с повышенными свойствами 9
1.1 Процесс детонационного нанесения покрытий 9
1.2 Свойства детонационных покрытий и основные направления их улучшения 14
1.3 Конструкция и технические параметры детонационных установок 19
1.4 Диагностика параметров процесса детонационного напыления 26
1.5 Выводы по главе. Постановка задач исследования 30
Глава 2. Разработка детонационного оборудования и методики параметров процесса напыления. Методы исследования покрытий 33
2.1 Оборудования для нанесения градиентных покрытий 33
2.2 Определение температурно-скоростных параметров процесса
детонационного напыления 39
2.3 Разработка стенда для формирования градиентных покрытий и
исследования температурно-скоростных параметров напыляемых части 48
2.4 Методы определения износостойкости 50
2.5 Определение фазового и структурного состояний покрытий 54
2.6 Определение микромеханических свойств покрытий 55
2.7 Определение прочностных характеристик 57
2.7.1 Определение прочности сцепления покрытия с основой 57
2.7.2 Определение контактной прочности 58
2.8 Выводы по главе 60
Глава 3. Влияние параметров детонационного процесса на свойства покрытий 62
3.1 Определение оптимальных режимов напыления детонационных покрытий 63
3.2 Влияние временных параметров включения клапана подачи транспортирующего газа на параметры детонационного потока 68
3.3 Исследование энергетических характеристик и их влияния на свойства покрытий 70
3.4 Выводы по главе 78
Глава 4. Формирование и исследование свойств градиентных покрытий 80
4.1 Керамические градиентные покрытия 80
4.2 Металлокерамические градиентные покрытия 86
4.3 Исследования структуры градиентных покрытий 88
4.4 Триботехнические свойства градиентных покрытий 95
4.4.1 Испытания на машине трения СМЦ-2 95
4.4.2 Испытания на машине возвратно-поступательного трения МПТ-1 96
4.4.3 Испытания на машине пяточного трения ЛПИ 97
4.4.4 Испытания на машине абразивного трения ММТ 98
4.5 Контактная прочность градиентных покрытий 99
4.6 Выводы по главе 99
Глава 5. Использование результатов исследований 101
5.1 Эффективность градиентных детонационных покрытий для упрочнения кристаллизаторов МНЛЗ 101
5.2 Детонационная металлизация фторопластсодержащих композиционных материалов 106
5.3 Повышение износостойкости резьбовых частей насосно-компрессорных труб
5.4 Повышение износостойкости и герметизирующей способности подвижных соединений уплотнительных устройств 116
5.5 Выводы по главе 120
Заключение 121
Литература 124
- Процесс детонационного нанесения покрытий
- Оборудования для нанесения градиентных покрытий
- Определение оптимальных режимов напыления детонационных покрытий
Введение к работе
В современной технике одной из наиболее серьезных проблем является необходимость обеспечивать соответствие между свойствами материалов применяемых в машиностроении и все более жесткими условиями их работы. Обычно наиболее слабым звеном узлов и деталей является их поверхность, которая подвергается воздействию многофакторных нагрузок. Повысить свойства используемых конструкционных материалов, можно упрочняя их покрытиями. Полученный при этом композит позволяет сочетать свойства материалов основы и покрытия. Качество композита "основа-покрытие" в значительной мере определяется прочностными свойствами покрытия: адгезионной и когезионной прочностью, микромеханическими характеристиками (микротвердостью, износостойкостью, трещиностойкостью и контактной прочностью), фазово-структурным состоянием и т. д.
Насчитывается более сотни различных технологий нанесения покрытий. Одними из наиболее широко применяемых являются газотермические методы (электродуговые, газопламенные, плазменные, детонационные и т. д.). Эти методы стали активно развиваться с конца пятидесятых годов, когда в промышленности стали возникать проблемы упрочнения деталей машин, нанесения защитных покрытий, получения новых материалов, изделий и т.д.[1]. Во всех газотермических методах при нанесении материалов покрытия на подложку используются высокотемпературные газовые потоки, в которых частицы материала нагреваются и приобретают высокую скорость. Формирование покрытия происходит при взаимодействии этих частиц с подложкой, на которую наносится покрытие. Важным преимуществом газотермических методов покрытий является то, что они позволяют наносить различные материалы покрытий (металлы и их сплавы, оксиды, бориды, карбиды и т. д.).
Анализ классических газотермических методов нанесения покрытий показывает, что наиболее высокие прочностные свойства обеспечивают
6 детонационные покрытия (2,3,4). Метод детонационного напыления был разработан в США в 1955 году (5). В дальнейшем, в течение 20 лет монополистом в промышленном применении покрытий была фирма "Юнион Карбайт Корп." (США). В Советском Союзе работы по созданию детонационного оборудования начались в 60-е годы. В нескольких организациях был создан ряд установок лабораторного и исследовательского характера. В их числе ИПМ АН УССР, институт электросварки им. Е.О. Патона, Луганский политехнический институт, НИАТ г. Москва, ЦНИИ "Прометей", Институт гидродинамики им. Лаврентьева СО АН СССР, АНИТИМ г. Барнаул и другие [6]. Наибольший вклад в создание и внедрения детонационного оборудования внесли следующие учёные и специалисты: Г.В. Самсонов, А.И.Зверев, ВВ .Гавриленко, Т.А.Гавриленко, В.Н.Гольдфайн, Ю.А.Харламов, С.С.Бартенев, Ю.П.Федько, В.Х.Кадыров, Е.А.Астахов, И.М.Галеев, В.С.Клименко и другие. В начале восьмидесятых годов ЦНИИ "Прометей" совместно с ЦКБ "Ленинская кузница" г. Киев был разработан автоматизированный детонационный комплекс АДК "Прометей", который серийно выпускался заводом "Пирс" г. Выборг (7,8). Тогда же детонационные покрытия начали широко применятся в различных узлах и деталях судового и авиационного машиностроения (дейдвудные уплотнения валов кораблей, уплотнения запорной арматуры, подшипниковые узлы насосов и компрессоров, лопатки, проставки, крышки опор и т. д. авиационных газотурбинных двигателей), что позволило резко увеличить ресурс их работы (3-10 раз). Наиболее широкое применение в качестве материалов для детонационных покрытий нашли оксид алюминия (А1203) и сплавы и композиты на основе никеля. А1203 имеет достаточно хорошую износостойкость в довольно широком диапазоне скоростей и нагрузок, высокую жаростойкость и коррозионностойкость. Основным недостатком этих покрытий являются невысокие прочностные свойства и пластичность. Покрытия на основе никеля имеют значительно более высокие механические свойства, но обладают меньшей износостойкостью.
Широкое применение детонационных покрытий в настоящее время сдерживается тем, что многие узлы и детали, применяемые в таких отраслях промышленности как нефтегазодобывающая, химическая, металлургия, авиация, судостроение, работают при высоких уровнях нагрузок, которые значительно превьшіают предельно допустимые для типовых детонационных покрытий. При этом они, как правило, одновременно подвергаются неблагоприятному воздействию окружающей среды (высокая температура, коррозионная среда, абразивное и эрозионное воздействие). Для повышения стойкости детонационных покрытий работающих в тяжелых условиях необходимо повышение их эксплуатационных характеристик, сочетание высоких значений различных свойств (прочность сцепления, износостойкость, коррозионная стойкость и т.д.). Одним из наиболее эффективных способов решения этой задачи является разработка многослойных покрытий [9]. Наиболее перспективным являются многослойные покрытия, имеющие градиентное строение, характерной особенностью которого является плавное изменение химического состава, структуры и свойств (физических, механических и др.) по толщине покрытия.
Градиентные покрытия относятся к классу функционально-градиентных материалов (ФГМ). Этот термин возник в Японии в середине 80-х годов [10]. В 1986 г. японские учёные национальной аэрокосмической лаборатории при Управлении по науке и технике запатентовали способ получения функционально-градиентных материалов [11]. Работоспособность такого покрытия при одновременном воздействии различных нагрузок и сред значительно выше, чем у однородных покрытий. Это может позволить резко расширить применение детонационных покрытий в узлах и деталях машин и механизмов и, как следствие, повысить ресурс работы последних.
В настоящее время известны работы по разработке и применению плазменных градиентных покрытий [12,13]. Градиентные детонационные покрытия, несмотря на очевидные преимущества, пока не нашли практического применения. Используются лишь многослойные покрытия, как правило
двухслойные, без формирования выраженных градиентных структур [14]. Это объясняется тем, что в настоящее время недостаточно изучено влияние параметров детонационного потока на структурный, фазовый состав и физико-механические свойства формируемых покрытий, не определены оптимальные технологические параметры режимов напыления для получения максимальных значений различных свойств, отсутствует необходимое оборудование.
Целью данной работы является разработка методов получения детонационных покрытий с повышенными эксплуатационными свойствами (износостойкость, прочность сцепления) для работы в условиях воздействия повышенных комбинированных нагрузок, создание более совершенного оборудования и технологии для их нанесения, исследование свойств разработанных покрытий.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать оборудование для получения градиентных покрытий;
разработать аппаратуру для исследования параметров детонационного процесса;
исследовать влияние параметров детонационного потока на формирование покрытий;
определить зависимость свойств покрытий от различных технологических режимов детонационного процесса;
разработать методы формирования градиентных структур в детонационном покрытии;
разработать градиентные детонационные покрытия с повышенными эксплуатационными характеристиками;
исследовать свойства этих покрытий.
Процесс детонационного нанесения покрытий
Детонационное нанесение покрытий является одним из видов газотермического напыления. Формирование покрытий производится за счет взаимодействия напыляемых порошковых частиц, нагретых и ускоренных продуктами детонации смеси газов с обрабатываемой подложкой. Детонация или детонационное горение представляет собой взрыв, протекающий с постоянной и максимально возможной для данных условий и данной смеси газов скоростью, превышающей скорость звука в данной смеси газов. В ускорении и нагреве порошковых частиц основная роль принадлежит их взаимодействию с продуктами детонации [2,15] . Детонационное горение газов позволяет получать в импульсном режиме значительные мощности. Так, при детонации эквимолярной ацетилено-кислородной смеси, скорость продуктов детонации достигает 1280 м/с, температура 4480К, а давление до 4,0 мн/м2 [16]. Взаимодействие напыляемых частиц с продуктами детонации позволяет разгонять до их скорости 720 м/с и расплавлять их [17].
Детонационное нанесение покрытий имеет ряд преимуществ по сравнению с другими газотермическими покрытиями:
- детонационные покрытия обладают высокими адгезионными и когезионными свойствами и низкой пористостью;
- в процессе напыления температура нагрева деталей невысока и обычно не превышает 40-60С;
- скорость и температура напыляемых частиц достаточно легко регулируется;
- конструкция детонационного оборудования проста, надежна и обладает длительным сроком службы;
- имеется несколько способов управления процессом напыления в отличие от других методов газотермического напыления.
К недостаткам метода можно отнести необходимость в звукоизоляции детонационного оборудования, так как процесс сопровождается высоким уровнем звука до 140 дБ [17,18].
Некоторые основные показатели свойств детонационных покрытий в сравнении с покрытиями, нанесёнными другими методами (для порошка WC-Со) приведены в таблице 1 [6].
Оборудования для нанесения градиентных покрытий
Из анализа предыдущей главы видно, что для получения качественных градиентных покрытий необходимы детонационные пушки, позволяющие реализовать высокие скорости и температуру продуктов детонации, возможность одновременного напыления различных порошков, программное изменение параметров детонационного процесса. При этом необходимо обеспечить надёжность и безопасность самого процесса.
В большинстве известных детонационных пушек в качестве горючего газа используется ацетилен С2Н2. Ацетилен имеет высокие теплофизические и химические характеристики, что позволяет получить высокие энергетические характеристики детонационного потока. Но использование ацетилена требует значительного усложнения конструкции детонационных пушек для исключения "обратного удара" и самопроизвольного возгорания газов рабочей смеси в трубопроводах. Гораздо безопасней применение в качестве горючего газа пропана-бутана C3Hg. Кроме того, стоимость напыления при этом существенно ниже из-за относительно высокой цены на ацетилен. Но из сравнения стехиометрических реакций сгорания С2Н2 и Cyth ( уравнение 1) видно, что ацетилен, обладая удельным объёмным весом примерно в два раза меньшим, чем пропан-бутан, имеет более высокий тепловой эффект [2].
С2Н2+2,5 02 = 2 С02 + 2 Н20+ 1,265 МДж/г. мол. (1)
С3Н8 + 5 Э2 = 3 С02 + 4 Н20 + 2,05 МДж/ г. мол.
Кроме того, скорость детонационного горения для ацетилено-кислородных смесей на 20-25% выше, чем у пропано-бутано-кислородных смесей. Исходя из этого, для придания частицам порошка оптимальных значений скорости и температуры, при применении пропана-бутана в качестве горючего газа, необходимо увеличить расход газовой смеси через сечение ствола в два раза, а также значительно повысить плотность продуктов детонации. Исходя из этого, была разработана детонационная пушка, в которой в качестве горючего газа используется пропан-бутан. Для придания напыляемым частицам высоких скоростей и температур камера сгорания детонационной пушки исполнена в виде широкой лукообразной полости переменного сечения, плавно переходящего к более узкому сечению ствола.
Такая конструкция позволила реализовать режим возникновения пересжатых волн, что позволило резко повысить плотность продуктов детонации и, соответственно, их скорость и температуру [2]. Для увеличения расхода газов увеличен диаметр ствола. Устройство детонационной пушки приведено на рисунке 6.
Использование в качестве горючего газа пропана-бутана позволило разработать принципиально новую конструкцию смесителя газов (5). Газы рабочей смеси (пропан-бутан и кислород) подаются в каналы В и Г через дюзы относительно малого сечения (2-4 мм), поступая в смеситель, который непосредственно соединён с камерой сгорания (3). После инициирования искровой свечой (4) поцесса детонации, возникающее в камере сгорания, и, следовательно, в смесителе, давление горючих газов значительно превышает давление в магистралях подачи газов рабочей смеси. Вследствие этого подача в смеситель пропана-бутана и кислорода прекращается. Так как в чистом виде эти газы не горят, необходимость в подаче нейтрального газа отсечки для предотвращения обратного удара и возгорания газовых магистралей (подраздел 1.3) отпадает. Это позволило разработать так называемую "безотсечную"пушку. Исключение подачи газа отсечки, помимо повышения надёжности работы установки, расширило её технологические возможности за счёт увеличения максимальной температуры продуктов детонации. Это связано с тем, что при использования нейтрального газа отсечки, на границе раздела его с газами взрывчатой смеси, происходит их перемешивание. Это приводит к уменьшению химической активности смеси и, следовательно, температуры продуктов детонации, что очень важно при напылении тугоплавких материалов. При напылении легкоплавких материалов, где необходимы сравнительно низкие температуры, предусмотрен канал ввода нейтрального газа в смеситель (Д).
Определение оптимальных режимов напыления детонационных покрытий
В разделе 1.3 отмечалось, что к основным технологическим параметрам детонационного процесса напыления относятся:
-количество и соотношение газов рабочей смеси;
-величина порции порошка за один выстрел;
-гранулометрический состав порошка;
-расположение порошкового облака в стволе в момент инициирования взрыва;
-расстояние от среза ствола до подложки.
Они влияют на характер взаимодействия частиц с продуктами детонации и подложкой и, следовательно, на качество получаемых покрытий. Оптимальное значение технологических параметров зависит от многих факторов, и, в первую очередь, от того, по какому критерию проводится оптимизация [3]. Так как наиболее важным свойством покрытия, определяющим его работоспособность, является прочность сцепления, в качестве метода оптимизации было выбрано прямое экспериментальное исследование его величины в зависимости от значений различных технологических параметров. В качестве материалов для исследования были определены керамические (оксид алюминия) и металлические (сплавы на основе никеля) покрытия, которые находят наиболее широкое применение в настоящее время. Для проведения исследований использовался стенд, описанный в разделе 2.3.
Важнейшим технологическим параметром, влияющим на свойство покрытий, является состав газов рабочей (взрывчатой) смеси, который определяет энергетические характеристики напыляемых частиц (скорость, температуру и т.д.) и химический состав продуктов детонации. В большинстве публикаций приводятся данные, характеризующие зависимость свойств покрытий от состава ацетиленово-кислородной смеси. В литературе практически отсутствуют результаты исследований для пропан-бутан-кислородных смесей. Так как состав взрывчатой смеси определяется расходом составляющих рабочих газов поступающих в смеситель при заполнении ствола, эти расходы и их соотношение являются рабочими технологическими параметрами, оптимальные значения которых необходимо определить. Для данной конструкции пушки был определён общий расход горючего газа, при котором достигается полное заполнение ствола взрывчатой смесью газов (при скорострельности процесса напыления 4 цикла/с) на момент инициирования взрыва. Это обеспечивает максимальные энергетические характеристики продуктов детонации. Была экспериментально установлена зависимость прочности сцепления напыляемых покрытий от соотношения газов взрывчатой смеси (рисунок 20).
При напылении металлического порошка взрывчатая смесь разбавлялась воздухом. Из анализа результатов исследования видно, что полученные зависимости имеют ярко выраженные максимумы значения прочности сцепления, которые при напылении керамических и металлических покрытий, достигаются при различных соотношениях окислителя (Ог) и горючего газа (С3Н8). Это, в целом, соответствует характеру известных зависимостей для ацетиленово-кислородных смесей, но значения соотношений рабочих газов, при которых прочность сцепления достигает экстремальных значений, существенно отличаются. Это, очевидно, связано с различием стехиометрических соотношений компонентов для различных смесей.
Была исследована зависимость прочности сцепления от гранулометрического состава порошка (рисунок 21). Результаты анализа показали, что оптимальный размер напыляемых частиц для АІ2О3 соответствует 15-20 мкм, а для ПН70Ю30 он значительно выше (40-50 мкм).
