CC BY
212
УДК 621.793.71
ИССЛЕДОВАНИЕ АДГЕЗИИ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ВЫСОКОСКОРОСТНЫМ ГАЗОПЛАМЕННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ
В.А. Клименов**, Ж.Г. Ковалевская*'**, К.В. Зайцев, А.И. Толмачев*
Юргинский технологический институт ТПУ *Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск **Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Проанализированы особенности адгезии покрытий на основе никеля, полученных высокоскоростным напылением на стальную основу с различной поверхностной морфологией. Показано, что ультразвуковая финишная обработка создает на поверхности основы волнистый субмикрорельеф, обеспечивающий формирование надежной адгезионной связи между покрытием и основой. Ультразвуковая финишная обработка предлагается как способ подготовки поверхности перед высокоскоростным газопламенным нанесением покрытий.
Введение
В последние 10-15 лет в мировой практике активно развивается и совершенствуется высокоскоростной способ формирования газотермических покрытий, получивший название «ffigh-Velocity-Oxygen-Fuel» - высокоскоростное кислородное газопламенное напыление [1-3]. По сравнению с газопламенным и плазменным методом, процесс высокоскоростного газопламенного напыления обладает рядом преимуществ. Покрытия, полученные этим методам, отличаются высокой плотностью, адгезионной и когезионной прочностью, мелкодисперсной и гомогенной микроструктурой, низкими остаточными напряжениями [1]. Окисление высокоскоростных газопламенных покрытий при высоких температурах гораздо меньше, чем у дозвуковых [3]. Значения плотности и адгезионной прочности таких покрытий соизмеримы с детонационными и значительно превышают эти характеристики плазменных покрытий [1, 3].
Имеющееся современное оборудование, расположенное на Юргинском машиностроительном заводе, позволило разработать технологию по созданию штока гидроцилиндров крепей шахтных комплексов с упрочняющими покрытиями. Однако контроль качества получаемых покрытий не дал полной картины взаимосвязи между параметрами процесса, формируемой структурой и свойствами покрытий. Поэтому целью данной работы стало исследование характера взаимодействия покрытия с основой при различных способах подготовки поверхности перед напылением.
1. Материалы и методы исследования
Покрытие наносили при помощи высокоскоростной газопламенной установки, предназначенной для нанесения износостойких, жаростойких, теплозащитных и мягких уплотнительных покрытий [3], рис. 1.
Установка включает: горелку, порошковый питатель, испаритель, панель управления и ряд вспомогательных устройств. Конструктивно горелка состоит из четырех основных частей: камеры сго-
рания в сборе, распределителя смеси газов, распределителя «вторичного» пропана, корпуса сопла в сборе. Питатель порошка обеспечивает точное дозирование и непрерывную подачу порошка в горелку. Подача порошка происходит под давлением транспортирующего газа, в качестве которого могут выступать азот или аргон. Испаритель служит для фазового превращения пропана. Внутри испарителя происходит подготовка пропана по нужным параметрам давления и температуры. Процесс напыления выполняется в автоматическом режиме. Панель управления с сенсорным экраном обеспечивает дистанционную настройку, регулирование и стабильность параметров процесса.
Рис 1. Схема установки: 1) газовый баллон (пропан); 2) испаритель; 3) компрессор; 4) ресивер; 5) газовый баллон (азот); 6) порошковый питатель; 7) горелка; 8) шланги и кабели
Технические характеристики установки: скорость истечения струи газа на срезе сопла горелки 800 м/с; расход горючего газа (пропан) 250 л/мин; расход транспортирующего газа (азот) 40 л/мин; расход окислителя (сжатый воздух) 7...9 м3/мин; производительность при напылении металлов и сплавов до 18 кг/ч; толщина напыляемого слоя 0,03...10 мм; пористость покрытия менее 1,0 %; суммарная потребляемая электрическая мощность не более 5 кВт.
В качестве напыляемого материала применяли порошок на основе никеля марки ПР-Н65Х25С3Р3 ^е - 5 мас. %; С - 1,5 мас. %; Сг - 26 мас. %; Si -2,3 мас. %; В - мас. 3 %; № - остальное) с размером частиц 30...50 мкм [4]. Напыление образцов
осуществлялось при дистанции напыления -200 мм; с углом напыления 90°; линейной скоростью перемещения горелки 21 мм/с. Покрытие формировалось послойно толщиной 500...800 мкм на цилиндрических образцах из стали 20.
Предварительная подготовка поверхности осуществлялась несколькими способами. Токарная обработка проводилась на станке TUM-35 при числе оборотов шпинделя - 900 об/мин и подаче -
0,07 мм/об. Последующее шлифование производилось на этом же станке с использованием наждачной бумаги Mirka ecowet зернистостью Р1000. Ультразвуковая обработка проводилась устройством для ультразвуковой финишной обработки УЗГК-02 мощностью 200 Вт; усилием прижима индентора 70...75 Н; частотой колебаний индентора 24 кГц. Число оборотов шпинделя токарного станка составило 100 об/мин; подача 0,2 мм/об [5]. Струйно-абразивную обработку проводили в специальной камере дробеструйным аппаратом, который направляет на обрабатываемую поверхность в струе сжатого воздуха с давлением 0,5...0,6 МПа и скоростью 15...30 м/с частицы электрокорунда зернистостью 1,5...2 мм.
Приведенные исследования основаны на оптическом анализе морфологии поверхности с большой точностью измерений, который проводился на профилометрическом комплексе MICRO MEASURE 3d station. Было исследовано состояние поверхности основы до напыления и после отрыва покрытия. С помощью графической программы оценена площадь очагов схватывания основы с покрытием [6].
2. Результаты и их обсуждение
При проведении газотермического напыления на воздухе большое значение имеет предварительная подготовка поверхности детали перед напылением, так как состояние поверхности определяет качество адгезионной связи на границе раздела «покрытие-основа» [7-10]. Высокоскоростное напыление задает особые условия осаждения частиц материала на подложку со сверхвысокими скоростями, что обеспечивает высокое напорное давление при растекании частиц о подложку, а значит, не требует сложной морфологии поверхности основы. Исходя из выше сказанного, в работе предлагается несколько способов подготовки поверхности перед напылением. После точения, наряду с классическим методом струйно-абразивной обработки поверхности, предложен способ подготовки поверхности шлифованием и ультразвуковой финишной обработкой. Ультразвуковая финишная обработка заключается в пластическом деформировании поверхностных слоев основы инструментом, колеблющимся с ультразвуковой частотой [5]. Формирующийся при ультразвуковой обработке ячеистый микрорельеф, мелкозернистая, с высокой плотностью дефектов кристаллического строения структура поверхностного слоя и внутренние напряжения сжатия могут обеспечить надежную адгезионную связь [11].
Рельеф поверхности после токарной обработки имеет определенную периодичность, заданную режимами точения, рис. 2, а. Результаты профилометриче-ского анализа показали, что шаг неровностей по вершинам составляет 0,13 мм с высотой Дмах~9 мкм, шероховатость Д=1,15 мкм, рис. 2, б. Морфология поверхности определяется качеством точения.
Рис. 2. Состояние поверхности образцов из стали 20 после точения: а) морфология; б) профилограмма
Как показали результаты профилометрического анализа, поверхность образца после струйно-абразивной обработки представлена морфологией, состоящей из совокупности кратеров, оставленных частицами корунда после удара о поверхность, рис. 3, а.
О 0,2 0,4 0,6 I, мм
Рис. 3. Состояние поверхности образцов из стали 20 после струйно-абразивной обработки: а) морфология; б) профилограмма
В процессе многократного воздействия частиц абразива на поверхность образца, происходит выравнивание ее шероховатости (Д=4,38 мкм), за счет откалы-
а
б
вания первичных микровыступов и наложения кратеров друг на друга, рис. 3, б. Получаемый рельеф имеет зубчатое строение с высотой выступов до 34 мкм.
После точения и шлифования выступы микронеровностей сглаживаются до ^мах~6 мкм, за счет чего увеличивается опорная поверхность. Шероховатость снижается до Д,=0,85 мкм, рис. 4.
О 0,2 0,4 0,6 0,8 Ь, мм
Рис. 4. Состояние поверхности образцов из стали 20 после шлифования: а) морфология; б) профилограмма
Ультразвуковая финишная обработка приводит к формированию на поверхности основы микрорельефа, обусловленного относительным движением выглаживающего инструмента и образца №=0,7 мкм), рис. 5. Формируемый профиль микронеровностей в направлении подачи инструмента имеет волнистое строение с шагом неровностей 0,2 мм и высотой Дпах~4 мкм. Вдоль движения инструмента формируется субмикрорельеф задаваемый многократным прерывистым импульсным воздействием инструмента. Периодичность формируемого субмикрорельефа составляет около 5 мкм, рис. 5, б.
На основе проведенного профилометрического анализа установлено, что максимальная эффективная площадь контакта поверхности формируется при струйно-абразивной обработке основы. Рельеф поверхности в этом случае представлен совокупностью зубчатых выступов, неориентированных в пространстве. После шлифования и ультразвуковой финишной обработки максимальная эффективная площадь контакта поверхности меньше и примерно одинакова. Однако геометрия формируемых профилей сильно отличается. После шлифовки на поверхности образцов сохраняются направленные следы режущего инструмента, не удаленные в процессе шлифования и образующие острые риски. После ультразвуковой финишной обработки рельеф поверхности точения сглаживается, и формируется субмикрорельеф, состоящий из следов множественных ударов ультразвукового инструмента.
После механического отрыва напыленного покрытия с исследуемых поверхностей был проведен повторный профилометрический анализ с оценкой площади очагов схватывания покрытия с основой.
Во всех случаях, при отрыве покрытия от основы поверхность имеет следующий вид: очаги схватывания напыляемых частиц с основой чередуются с зонами вторичного окисления. На профилограммах наблюдается увеличение совокупного значения шероховатости за счет выступов, сформированных напыленными частицами, оставшимися после отрыва покрытия, рис. 6.
Рис. 5. Состояние поверхности образцов из стали 20 после ультразвуковой финишной обработки: а) морфология; б) профилограмма
Рис. 6. Профилограммы поверхности основы после отрыва покрытия: а) струйно-абразивная обработка; б) шлифование; в) ультразвуковая финишная обработка
Значение совокупной шероховатости включает в себя шероховатость участков, имеющих исходный рельеф и покрытых не оторвавшимися частицами.
а
б
а
б
а
в
б
Таким образом, по значениям шероховатости поверхности после отрыва покрытия, можно провести качественную оценку адгезии между покрытием и основой, подготовленной разными способами.
На рис. 6, а, представлена профилограмма поверхности основы после отрыва покрытия с предварительной струйно-абразивной обработкой. При сравнении с рис. 3, б, видно, что часть профиля сформирована рельефом основы, а часть - напыленными частицами. Шероховатость получаемой поверхности Яа составляет 6,99 мкм.
Профили поверхности основы, полученные после отрыва покрытия, нанесенного на шлифованную и обработанную ультразвуковым инструментом поверхность, имеют сложный вид, рис. 6, б, в. По рисунку полученных профилей трудно различить зоны сформированные рельефом основы и напыленных частиц. Однако общая шероховатость в обоих случаях возрастает. Причем на поверхности обработанной ультразвуковым инструментом более чем в два раза.
Количественная оценка адгезии напыленных покрытий была проведена с помощью оценки совокупной площади очагов схватывания напыленных частиц и основы. Известно, что чем больше площадь очагов схватывания напыленных частиц и основы, тем выше адгезионная прочность покрытия [10].
Таблица. Результаты оценки адгезии между покрытием и основой
Способ предварительной обработки поверхности Исходная шероховатость основы R, мкм Шероховатость после отрыва покрытия Rd, мкм Совокупная площадь очагов схватывания частиц и основы, %
Струйно-абразивная 4,38 6,99 53
Шлифование 0,85 1,05 24
Ультразвуковая финишная обработка 0,7 1,97 38
С помощью графической программы было определено, что при отрыве покрытия, напыленного на основу после струйно-абразивной обработки, площадь очагов схватывания составляет около 53 %, что соответствует высоким показателям адгезионной прочности между покрытием и основой [9, 10]. На поверхности шлифованной основы площадь очагов схватывания составляет около 24 %, а на основе с ультразвуковой обработкой - около 38 %. В таблице представлены результаты по анализу морфологии поверхности образцов после отрыва покрытий и значения совокупной площади очагов схватывания покрытия и основы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Arvidsson P.E. Comparison of Superalloy Coatings Sprayed with Plasma and HVOF // Powder Metallurgy International. - 1991. -№ 3. - P 176-179.
2. Балдаев Л.Х., Шестеркин Н.Г, Лапанов В.А., Шатов А.П. Особенности процессов высокоскоростного газопламенного напыления // Сварочное производство. - 2003. - № 5. - С. 43-46.
Таким образом, оценка состояния поверхности основы после отрыва покрытия показала, что предварительная струйно-абразивная обработка, за счет реализации нескольких каналов активации и увеличения поверхности контакта, приводит к формированию прочной связи на границе композиции «покрытие-основа». Минимальная шероховатость поверхности основы, обработанной ультразвуком, а также формирование волнистого субмикрорельефа и модифицированной структуры поверхностного слоя обеспечивает равномерное воздействие импульсного и напорного давления жидких капель напыляемого материала на основу и способствует реализации механического канала активации на всей поверхности основы [8-10]. Образовавшаяся на границе раздела адгезионная связь между покрытием и выглаженной ультразвуковым инструментом основой соответствует технологическим требованиям.
Заключение
На основе проведенного исследования морфологии поверхности основы до и после нанесения покрытия и его отрыва, определено:
1. Все исследованные способы подготовки поверхности основы перед напылением: струйноабразивная обработка, шлифование и ультразвуковая финишная обработка формируют на границе раздела между покрытием и основой качественную адгезионную связь. При этом максимальная площадь очагов схватывания между покрытием и основой формируется на поверхности после струйно-абразивная обработки, а минимальная после шлифования поверхности основы.
2. Ультразвуковая финишная обработка создает на поверхности основы волнистый субмикрорельеф и модифицированную структуру, обеспечивающую формирование надежной адгезионной связи между покрытием и основой. Ультразвуковая финишная обработка предлагается как способ подготовки поверхности перед высокоскоростным газопламенным нанесением покрытий.
Авторы благодарят за помощь в выполнении работы сотрудников Центра по измерению физических и эксплуатационных свойств новых материалов и покрытий Научно-исследовательского института ядерной физики и сотрудников Юргинского машиностроительного завода.
Работа выполнена в рамках гранта РФФИ 06-08-01220а.
3. Фролов В.А., Поклад В.А., Рябенко Б.В., Викторенков Д.В. Технологические особенности методов сверхзвукового газотермического напыления // Сварочное производство. - 2006.
- № 2. - С. 45-53.
4. Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко С.Л., Ардатов-ская Е.Н. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник. - Киев: Наукова думка, 1987. - 544 с.
5. Клименов В.А., Каминский П.П., Толстов В.П., Ковалев- 8.
ская Ж.Г., Уваркин П.В. Разработка технологии и оборудования для ультразвуковой обработки бандажей колес локомотивов // Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и об- 9 новления машин, механизмов, оборудование и металлоконструкций: Матер. 5-ой Междунар. практ. конф.-выставки. -СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. - С. 199-203.
6. Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Агафонова Н.С., Толма- ю
чев А.И., Зайцев К.В., Иванов Ю.Ф. Ультразвуковое модифицирование - метод подготовки поверхности перед газотермическим напылением // Технологии ремонта, восстановления и 11
упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, ин- 11.
струмента и технологической оснастки: Матер. 8-й Междунар. практ. конф. - СПб., 2006. - Ч. 1. - С. 150-158.
7. Солоненко О.П., Смирнов А.В., Клименов В.А. и др. Роль границ раздела при формировании сплэтов и структуры покрытий // Физическая мезомеханика. - 1999. - Т. 2. - № 1-2. -С. 123-140.
Ревун С.А., Балакирев В.Ф. Особенности образования адгезионной связи при газотермическом напылении покрытий // Физика и химия обработки материалов. - 2002. - № 2. - С. 55-62. Синолицин Э.К. Получение прочного сцепления с подложкой при низкоскоростном газопламенном напылении жидких металлических частиц // Физика и химия обработки материалов.
- 2002. - № 2. - С. 49-54.
Шмаков А.М., Ермаков С.С. Ударное взаимодействие частицы с основой при газотермическом напылении // Физика и химия обработки материалов. - 1986. - № 3. - С. 66-71.
Клименов В.А., Нехорошков О.Н., Уваркин П.В., Ковалевская Ж.Г., Иванов Ю.Ф. Структура, фазовый состав и свойства стали 60, подвергнутой ультразвуковой финишной обработке // Физическая мезомеханика. - 2006. - Т. 9. - Спец. выпуск. -С. 173-176.
Поступила 11.12.2006 г.
