CC BY
50
Металлургия и материаловедение
УДК 621.89
ДЕТОНАЦИОННО-ГАЗОВОЕ НАПЫЛЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ TIC-FE И TIC-FE-AL2O3
Агарков Андрей Алексеевич, студент Самборук Анатолий Романович, профессор Нечаев Илья Владимирович, профессор Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия
Рассмотрен способ детонационно-газового напыления порошковых покрытий: принцип и схема работы, эффективность. Приведены результаты испытаний на абразивное изнашивание покрытий TiC-Fe и TiC-Fe-ЛЬ2йз, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).
Ключевые слова: детанационно-газовое напыление, детонационное покрытие, композит, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, триботехнические свойства, профилограмма
В качестве объекта исследований выступают износостойкие порошковые покрытия, полученные способом детонационно-газового напыления.
В настоящее время широко используются различные методы нанесения покрытий: плазменное напыление, металлизация и газовое пламя. Однако в некоторых случаях их свойства не соответствуют требуемым. Из-за относительно низкой адгезии покрытий к подложке их использование в машинах и механизмах ограничено, а пористость до 10% препятствует их использованию в агрессивных средах.
По этой причине метод детонационного напыления весьма интересен. Для распыления покрытия используется специальный источник нагрева, распыления и ускорения напыляемых частиц. Источником является быстрый поток газовой смеси, возникающий в результате направленного взрыва, вызванного детонацией, для которого заданное количество газовой смеси подается в камеру зажигания и ствол установки.
Детонация относится к процессу химического превращения взрывчатого вещества, при котором детонационная волна распространяется внутри него с предельной скоростью, превышающей скорость звука в среде [14].
Химическое превращение позволяет нагревать газообразную смесь, в то время как количество продуктов реакции значительно увеличивается и развивается давление до 1,5 — 3,0 Мпа, время протекания детонации порядка 5*10-3 с.
Как для детонационной волны, так и для продуктов ее распада присуща большая скорость распространения (1000-3000м/с) и довольно высокая температура (3 — 5 )*103К. Тепловая энергия детонационных газовых по-
4 7
токов достигает 10 - 10 Вт. Скорость развития детонационного взрыва и теплофизические параметры продуктов реакции легко регулируются добавлением в состав горючей смеси различных технологических добавок, из которых наиболее часто применяемые азот и аргон [4].
От скорости продуктов детонации зависит и скорость напыляемых частиц (800 - 1300 м/с).
Схема процесса напыления представлена на рисунке 1 [14].
Порошок
Я
________
У///////////777777Х
Горючий гач
в
с
□ *
а □
о» о
НаО
8Ш
Технологический газ
о • □
Окислительный газ
Рис.1.Схема детонационно-газового напыления покрытий
Заданное количество рабочей газовой смеси выпускается в камеру 1. При малом электрическом разряде и специальном оборудовании 2 смесь воспламеняется, возникшие тепловые волны создают ударную волну 3, а затем детонационную волну 4. В канале 5 детонационная волна расщепляется и образует легковоспламеняющуюся смесь (1ст- длина ствола ; ёст — его диаметр). Одновременно с взрывной смесью производится и введение напыляемого порошка. На выходе из ствола образуется дульное пламя 7 (1з- заглубление подачи порошка в ствол) и поток рассеянных частиц 8.
Детонационно-газовое напыление считается циклическим процессом. Время цикла достигает 0,2-0,5 с. Обычно стремятся к минимальным значениям, которые зависят от скорострельности установки, а следовательно и от производительности напыления. В течение одного цикла на поверхность напыления переносится 30-40 мг распыляемого материала. При одном цикле появляется единичное пятно диаметром 20 - 30 мм, толщиной 10-30 мкм . При ограниченной скорострельности рост толщины покрытия в статичном пятне составляет 20-50 мкм/с.
Детонационно-газовое напыление воплощается в основном порошковыми способами. Подача порошка поставляется как в осевом, так и в радиальном направлениях, для добывания качественных покрытий необходимо равномерное разделение порошковых частиц по сечению ствола.
Процесс детонационно-газового напыления механизирован и автоматизирован. Процесс реализуется в специальном звукоизоляционном боксе. Управление процессом дистанционное, с вынесенного за пределы коробки пульта управления.
Распределение методов детонационно-газового напыления на практике осуществляется по следующим признакам [14]:
1. Типу детонирующей смеси. Применяют детонирующие газы CO, Н2, С2Н2 и другие, а так же продукты пиролиза.
2. Конструктивным особенностями газового температурного такта. Используют процесс с предварительным форкамерным зажиганием напрямую в стволе установки. Используют направляющие каналы стволов с постоянным и переменным сечением.
3. Количеству детонационных камер - стволов. Распознают одноствольные установки и многоствольные. Последние гарантируют повышение производительности процесса напыления.
Надлежащая толщина покрытия достигается путем повторения циклов обстрела в соответствии со скоростью сборки, при перемещении образца перед срезом ствола и пушки. Сдвиг между двумя циклами (шагами) не должно превышать % диаметра точки распыления.
Эффективность процесса зависит от скорости движения области распыления. При увеличении скорости наблюдается снижение адгезионной прочности покрытия и использования материала, что связано с увеличением относительной поверхности осаждения в загрязненных периферийных областях предыдущих пятен. В то же время температура в месте инъекции также снижается. Шероховатость покрытия самая высокая при низких скоростях продукта.
Цель работы: Исследовать возможности получения износостойких покрытий методом детонационно-газового напыления из композиционных порошков TiC-Fe и TiC-Fe-AL2O3, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.
Обьектом исследования являются износостойкие порошковые покрытия: 1 — TiC-Fe, 2 - TiC-Fe-AL2O3 .
Исходные порошки композита на основе железа и карбида титана для исследования были получены методом СВС с использованием алюмино-термического восстановления и карбидизации оксида железа[10-11].
Для нанесения синтезируемых порошков используется комплекс детонационного напыления «ВКАОО№> [15]. Комплекс содержит блок охлаждения, детонационную пушку и управляющий компьютер. При цилиндрическом стволе диаметром 20 мм пятно напыления на неподвижной цели имеет размер 20 - 25 мм и площадь 3 - 4 см2 .
Рис1. Профилограмма покрытия ТЮ-Бе. 1-Температура поверхности; 2- Нормальная нагрузка; 3- Момент трения
Рис.2. Профилограмма покрытия ТЮ-Бе- А1203. 1- Температура 2 — Нормальная нагрузка 3- Момент трения
Номинальная скорострельность установки - 4 выстрела в секунду, предельная - до 10 выстрелов в секунду. Для некоторых легкоплавких материалов частоту можно повысить до 15 выстрелов в секунду. Пистолет-манипулятор помещен в звукоизоляционный бокс с газопроводами: воздух, кислород, ацетилен. Комплекс управляется компьютером, с помощью которого запрограммирован метод распыления и скоординировано движение заготовки, а выполнение конкретной программы контролируется без остановки процесса распыления. В комплексе предельная длительность
одного цикла достигает 500 мс (стандартная - 200 мс), что основывается на длительности каждой его стадии.
Для исследования изнашивания модифицированных покрытий проведены испытания на износ на универсальном триботехническом комплексе «Универсал 1Б» при режимах: нагрузка 20 кгс, время испытаний 60 минут, условие - абразивное изнашивание при трении с алмазной пастой [12-13]. На рисунке 1 представлена профилограмма покрытия TiC-Fe.
На рисунке 2 представлена профилограмма покрытия TiC-Fe- Al2O3. Первые 25 минут покрытие TiC-Fe- Al2O3 ведет себя стабильно, однако спустя 30 минут происходит припайка к подложке.
Покрытие TiC-Fe показало себя достаточно стабильно на протяжении всего испытания задиров и припайки не наблюдалось
Список литературы
1. Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы. Под ред. В. Шатта. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1983. - 520 с.
2. Хасуи А. Наплавка и напыление [Текст] / А. Хасуи, О. Моригаки. - М. - М., Машиностроение, 1985. - 240 с.
3. Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. Учебник для вузов. М., Металлургия, 1992. - 432 с.
4. Шоршоров М. X., Харламов Ю. А. Физико-химические основы детонационного газового напыления покрытий. М.: Наука, 1978. 224 с.
5. Бартенев С. С, Федько Ю. П., Григорьев А. И. Детонационные покрытия в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1982. 215 с.
6. Панов, В. С. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них: учеб. пособие [Текст] / В.С. Панов, А.М. Чувилин, В.А. Фальковский. - 2е изд., перераб. и доп. - М.: МИСИС, 2004. - 462 с.
7. Твердые сплавы: учебник/ В.С. Панов [и др.] - 3е изд., доп..и перераб. - М.: Изд.Дом НИТУ «МИСИС», 2019. - 398 с. ISBN 978-5-907226-25-8.
8. Мержанов, А.Г. Процессы горения и синтез материалов [Текст] / А.Г. Мержанов. -Черноголовка: ИСМАН, 1998. - 512 с.
9. Амосов, А.П. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов: Учеб. пособ. [Текст] / А.П. Амосов, И.П. Боровинская, А.Г. Мержанов; Под научной редакцией В.Н. Анциферова. - М.: Машиностроение. - 1, 2007. - 567 с.
10.СВС порошка композита TiC-Fe в режиме сопряжения эндотермической реакции Fe2O3+C с экзотермической реакцией Ti + C/ А. Р. Самборук, А. П. Амосов и И. В. Яценко/ Синтез и консолидация порошковых материалов: Сборник тезисов Международной конференции (23-26 октября 2018 г., Черноголовка). С.582 - 587— М.: ТОРУС ПРЕСС, 2018. 784 с.
11.Применение процесса самораспростроняющегося высокотемпературного синтеза для получения композиционных керамико-металлических порошков на основе карбида титана и железа/ А.П.Амосов, И.В.Яценко, В.В.Яценко,/ АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ: Материалы международной нацчно-технической конференции, посвященной 85-летию со дня рождения академика В.Н.Анциферова (Пермь, 26-28 ноября 2018г.).-С.6-
12. Основы трибологии (трение, износ, смазка): Учебник для технических вузов/ А.В. Чичинадзе, Э.Д. Браун, и.а. Буше и др.-М.: Центр «Наука и техника», 1995.-778 с.
13.Триботехнические испытания на фрикционную совместимость: Монография/ И.Д. Ибатуллин. - Самара: СНЦ РАН, 2014 - 217 с. ISBN 978-5-906605-13-9.
14.Бобров Г.В. Нанесение неорганических покрытий (теория, технология, оборудование) /М.: «Интермет Инжиниринг», 2004 - 624 с.
15. Динамическое упрочнение и балансировка абразивных кругов для высокоскоростного шлифования методом детонационного напыления/ И.Д. Ибатулли, Р.Г. Гришин, А.Г. Шараухова - Самара: СНЦ РАН, 2016 - 1062-1066 с.
Agarkov Andrey Alekseevich, student
(e-mail: [email protected])
Samboruk Anatoliy Romanovich, Ph.D., professor
(e-mail: [email protected])
Ph.D., professor
Nechaev Ilya Vladimirovich, Ph.D., professor (e-mail:[email protected])
Samara State Technical University, Samara, Russia Detonation-gas spraying of composite coatings TiC-Fe and TiC-Fe-AL2O3 Abstract. The method of detonation-gas spraying of powder coatings is considered: the principle and scheme of work, efficiency. The abrasion test results of TiC-Fe and TiC-Fe-AL2O3 coatings obtained by the method of self-propagating high temperature synthesis (SHS) are presented.
Keywords: detanation-gas spraying, detonation coating, composite, self-propagating high-temperature synthesis, tribotechnicalproperties, profilogram.
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СЫРЬЯ НА СТРУКТУРУ TiC, ПОЛУЧЕННОГО В РЕЖИМЕ СВС Алюшева Гульнара Тахировна, студент (e-mail: [email protected]) Латухин Евгений Иванович, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Амосов Евгений Александрович, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия
Проведено исследование влияния ряда технологических параметров на структуру карбида титана, полученного в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).
Ключевые слова: СВС, карбид титана, инициирование горения, размеры частиц, фракции TiC.
Введение
Композиционные материалы превосходят традиционные сплавы по своим механическим свойствам. Одними из самых перспективных являются каркасные, керамико-металлические композиты. Каркасные композиты отличаются от других тем, что керамические частицы прочно соединены друг с другом, поры между ними должны быть заполнены металлом. Содержание керамики обычно 50% или больше. Сочетание свойств карбид
