CC BY
65
Пути совершенствования электродуговых плазмотронов линейной схемы и перспективы их использования в процессах плазменного напыления
1 2 3
Кадырметов А.М. , Пустовалов А.С. , Меняйлов К.А.
Кадырметов Анвар Минирович /Kadyrmetov Anvar Minirovich - доктор технических наук, профессор;
2Пустовалов Алексей Сергеевич /Pustovalov Alexey Sergeyevich - аспирант;
Меняйлов Константин Александрович /Menyaylov Konstantin Aleksandrovich - аспирант, кафедра производства, ремонта и эксплуатации машин, автомобильный факультет; Воронежская государственная лесотехническая академия, г. Воронеж
Аннотация: в статье показана возможность восстановления внутренних поверхностей деталей и регулирования процессов, происходящих в плазменном потоке для создания различных микро- и наноструктур за счет использования ряда конструктивных решений плазмотрона. Ключевые слова: микроплазмотрон, нано-размерные структуры, модуляция.
В современном автомобилестроении стали широко применятся нанотехнологии в различных узлах для продления ресурса деталей, создания уникальных свойств их материалов и придания новых свойств поверхностям с помощью создания функциональных покрытий. Их применение обусловлено необходимостью не просто улучшить служебные характеристики конструкционных материалов, имеющих малый потенциальный ресурс, а принципиально изменить подход к формированию их структуры и свойств.
Ресурс современных автомобильных двигателей зависит от износостойкости пар трения, одними из которых являются пары цилиндропоршневой группы, которая при капитальном ремонте заменяется на новую или восстановленную расточкой под ремонтный размер. Последнее влечет за собой снижение твердости внутренней поверхности и необходимости дополнительного производства поршней и колец под ремонтный размер.
Использование износостойких покрытий с особыми свойствами дает возможность резко повысить качество и снизить расход ресурсов по сравнению с традиционно применяемыми для этого материалами. Прогрессивным способом создания таких поверхностей является плазменное напыление.
Применение плазмы различных газов в качестве рабочей среды, в связи с её высокой химической активностью по отношению к различным материалам, позволяет в формируемых покрытиях создавать из исходного сырья в виде порошков, прутков и жидкостей различные, в том числе и сверхтвердые, микро- и наноструктуры, либо синтезировать в ее слоях определенные наноразмерные включения, повышающие эксплуатационные характеристики деталей транспортных машин.
Недостатками плазменного напыления при определенных режимах нанесения являются недостаточное сцепление с основой, высокие остаточные растягивающие напряжения, приводящие к растрескиванию покрытия. Данные недостатки устраняются разнообразными способами упрочнения покрытий в виде энергетических воздействий на него. Наиболее эффективным и экспериментально подтвержденным является способ, позволяющий объединить в одном процессе две операции - напыление и электромеханическую обработку [1]. Достоинствами способа являются создание сжимающих остаточных напряжений в покрытии, повышенная адгезионная и когезионная прочность и микротвердость.
Несмотря на это, развитие способа сдерживается недостаточной изученностью тепловых процессов, происходящих в условиях восстановления внутренних поверхностей деталей.
Также недостатком способа является, при использовании в качестве генераторов плазмы электродуговых плазмотронов, сложное регулирование процессов, происходящих в «запыленной» плазменной струе, а также низкий КПД процесса, составляющий всего 3-8 % и отражающий его низкую энергетическую эффективность. Устранение данных недостатков является актуальной практической и научной проблемой плазменного нанесения и упрочнения покрытий.
В большинстве технологических процессов плазменной обработки материалов чаще всего применяют электродуговые линейные плазмотроны, которые по сравнению с плазмотронами других схем обладают простотой конструкции, сравнительно большим ресурсом работы электродов, возможностью регулирования мощности разряда не только изменением силы тока дуги, но и за счет изменения напряжения на дуге.
Повышение энергетической эффективности линейных плазмотронов, позволяющей обеспечить развитие и универсализацию технологии плазменного напыления, предполагается осуществить конструктивно путем создания микроплазмотронов, с высокими тепловым и общим КПД процесса в целом.
Одно из главных требований к плазмотрону - необходимость нагрева газа до заданной температуры с высокой эффективностью, обеспечивающей малую величину тепловых потерь в стенки разрядной камеры и в опорных пятнах дуги. Это обеспечивает заданный уровень выходной среднемассовой температуры и энтальпии потока при максимальном тепловом КПД всего устройства, что дает возможность реализовать наибольшее тепловложение в напыляемый материал и наиболее точно его регулировать.
Создание высокоэффективного плазмотрона и возможности минимизации тепловых потерь в нем может быть обеспечено оптимизацией конструктивных параметров плазмотрона, а также режимов его работы на основе следующих теоретических предпосылок.
Известно, что тепловые потери в канале плазмотрона на начальном участке дуги при небольших давлениях (до 500 кПа) и малых токах определяются только лишь излучением, при этом доля лучистого переноса энергии в общем энергетическом балансе дуги пренебрежимо мала. Это указывает на целесообразность применения малых токов дуги, так как с ростом тока тепловые потери на излучение растут, и многоатомных газов (так как лучистые потери увеличиваются при использовании одноатомных газов для высоких температур), что также уменьшает величину эрозии электродов за счет уменьшения теплового потока в электроды, а значит, повышает ресурс плазмотрона и обеспечивает более стабильные характеристики плазменной струи.
Однако ни ток, ни напряжение дуги нельзя задавать произвольно, так как, во-первых, их произведение определяет требуемую (технологическую) мощность дуги, во-вторых, они связаны друг с другом вольт-амперными характеристиками и, в-третьих, напряжение на дуге при прочих равных условиях пропорционально ее длине. Поэтому желание уменьшить ток дуги при сохранении ее мощности влечет за собой необходимость удлинения её столба вместе с выходным каналом. Очевидно, что значительное удлинение дуги, которое дает больше возможностей повышения теплового КПД, достижимо при использовании межэлектродных вставок [2], что в свою очередь увеличивает потери на излучение и конвекцию в канале. Для устранения конвективных потерь предлагается использование системы заградительного охлаждения вдувом газа в межсекционные зазоры в межэлектродных вставках после начального участка дуги, в котором тепловой слой дуги не контактирует со стенками плазмотрона.
Перспективным местом ввода порошка для микроплазмотрона может быть ввод его в межэлектродную вставку с уступом, как это сделано в микроплазмотроне, представленном в работе [3]. Такая схема ввода порошка дает возможность предотвращения его налипания на стенки канала межэлектродной вставки и анода путем достижения оптимального уровня радиальной составляющей скорости частиц порошка. При использовании данного микроплазмотрона появляется возможность создавать покрытия на поверхностях малогабаритных и тонкостенных деталей, не перегревая их.
Предполагаемая конструкция плазмотрона отражает выводы, сделанные на основе информационно -аналитических исследований, а также обеспечивает оптимальные конструктивные и технологические параметры новой схемы высокоэффективного микроплазмотрона, включающие параметры ввода порошка, возможность использования вольфрамового катода на окислительных газах.
Для дальнейшего совершенствования плазменного напыления в части управления происходящими в потоке и в покрытиях процессами и для возможности формирования стабильного высокодисперсного покрытия предполагается использование в микроплазмотроне модуляции электрических параметров [4] путем наложения на стационарный ток дуги импульсов прямой или обратной полярности в различной последовательности, обеспечивающих увеличение теплоподвода в напыляемый материал и оптимальные технологические условия для получения заданного качества металлических износостойких покрытий деталей цилиндропоршневой группы.
Литература
1. Кадырметов А.М., Драпалюк М.В., Никонов В.О., Мальцев А.Ф. Особенности процесса плазменного
напыления с электромеханической обработкой покрытий. [Электронный ресурс]: Политематический
сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, 2013.
№ 89 (05). Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2013/05/pdf/11.pdf. (дата обращения: 29.01.2015).
2. КручининА.М. Плазменные промышленные установки. Промышленные плазмотроны. М.: МЭИ, 1991. 104
с.
3. Дюмин М.И. Численное моделирование динамики нагрева порошковых материалов в технологическом
микроплазмотроне / М. И. Дюмин, Н. П. Козлов, В. И. Суслов // Вестник МГТУ им Н. Э. Баумана. 2003.
№ 3. С. 3-11.
4. Кадырметов А.М. Интенсификация энергообмена в гетерогенной плазменной струе при модуляции электрических параметров процесса плазменного напыления / А. М. Кадырметов // Инженерно-физический журнал. 2013. Т.86. № 4. С. 739-746.
