CC BY
13
DOI 10.25987^Ти.2019.15.1.014 УДК 621.9.047
МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКОРЕСУРСНОГО ТЕРМОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ
В.П. Смоленцев, А.И. Портных, Е.В. Паничев
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассмотрено применение метода атмосферного плазменного нанесения покрытий, стойких к воздействию тепловых ударов, на высокотемпературную зону блока камеры сгорания тепловых двигателей. Рассматриваемое термостойкое покрытие состоит из нескольких слоев: внутреннего металлического, контактирующего с основой детали или подложкой, и внешнего минералокерамического, включающего гранулы оксидной керамики и металлического порошка. Построены расчетные схемы для демонстрации механизма капиллярного снижения уровня подслоя при нанесении основного слоя покрытия. Установлено, что в процессе формирования внешнего слоя течение расплавленного металла подчиняется закономерностям перемещения неньютоновских жидкостей при их протекании в капиллярах, образующихся между соседними гранулами. Приведены математические зависимости изменения высоты микронеровностей поверхности в зависимости от величины наносимых подслоя и покрытия. Показано влияние таких явлений на прочность закрепления наносимых частиц в покрытии и изменение высоты микронеровностей поверхностного слоя. Приведены факторы, приводящие к снижению адгезионной прочности наносимого покрытия, а также раскрыто влияние технологических параметров процесса нанесения на стойкость покрытий при огневых испытаниях изделий с приведением зависимости, определяющей минимальную толщину подслоя
Ключевые слова: покрытие, гранулы, капиллярные явления, микронеровности, размеры гранул, стойкость, прочность закрепления гранул
Введение
Из [1] известно, что скорость струи плазмы может превышать значения от 150 до 170 м/с, а динамическая энергия обеспечивает перемещение к месту покрытия детали частиц (гранул) размерами до 200 мкм с получением плотного слоя из соседних гранул. При многослойных (в рассматриваемом случае двухслойных) покрытиях сочетание теплового режима при нанесении первого слоя и силового воздействия на него наносимых гранул поверхностных слоев позволяет получать покрытия высокой сплошности при требуемой адгезионной прочности слоев.
Схема формирования термозащитного слоя покрытия
Проведенные металлографические исследования покрытий на разных этапах их применения позволили установить динамику изменения геометрии подслоя и взаимосвязь слоев при многократных пусках двигателей. По аналогии с [2] впервые установлено, что течение расплавленного металла в период плазменного формирования подслоя и при нанесении мине-ралокерамических гранул подчиняется закономерностям капиллярных течений неньютоновских жидкостей в пористых средах, что
© Смоленцев В.П., Портных А.И., Паничев Е.В., 2019
вызывает снижение уровня материала подслоя, определяющего закрепление гранул в поверхностном слое. Расчетная схема нанесения слоев приведена на рис. 1.
Рис. 1. Расчетная схема для построения механизма капиллярного снижения уровня подслоя при нанесении покрытия а) образование мениска между соседними гранулами; б) геометрия каналов; в) расчетное сечение канала Н - общая толщина покрытия; Н - толщина подслоя; Н3 - высота столба подслоя в канале; - величина микроуглублений в подложке; - высота микронеровностей покрытия; - изменение высоты неровностей из-за капиллярного снижения уровня жидкого металла; Б - диаметр гранулы. 1 - гранула; 2 - подложка; 3 - материал подслоя; 4 - расчетное сечение канала
Применяемые для покрытий гранулы имеют различную форму и размеры, но для экспериментов можно подобрать некоторое количество гранул, имеющих одинаковые размеры и форму, близкую к сферической.
Из рис. 2 следует, что разрез канала имеет геометрию сопла Лаваля.
р
1 КС
Рис. 2. Разрез канала между соседними гранулами Fкp - площадь критического сечения, аналогичного соплу Лаваля; С - вектор действия сил жидкого металла от перемещения гранул при нанесении защитного слоя
течении неньютоновских жидкостей ядро канала поддерживает цилиндрическую форму с радиусом г0.
Если условие (1) не выполняется, то перемещение расплавленного металла нарушается и образуются пустоты типа приведенной на рис. 3, что может быть объяснено разрывом струи металла в канале вследствие его торможения в критическом сечении канала и невозможностью образовать мениск требуемой высоты.
Для неньютоновских жидкостей по [2] при протекании через капилляры (аналог движения жидкости в пористой среде) в канале формируется ядро с радиусом г0 , перемещение которого в канале при фильтрации возможно [2] только при выполнении критерия:
Г0 < ГЭ1
(1)
где гэкв - радиус, описывающий канал, эквивалентный по сечению площади критического сечения Бкр (рис. 2).
Из рис. 1,в видно, что форма сечения канала близка к треугольнику bcd, для которого на рис. 1, б приведена расчетная схема, учитывающая сделанные допущения. Отсюда можно найти Бкр:
Ркр = — = 0,053D<
4V3
при высоте треугольника bcd:
ас = 1 /2 (УЗ - 1 ) D.
Тогда
гэ кв = 0 , 0 1 7 D г0 ,
(2)
(3)
(4)
находят по закону Дарси [2] для фильтрации жидкостей через грунт по схеме течения жидкости на рис. 2.
Как следует из [2], в губчатых средах при
200мт Electron Image 1
Рис. 3. Место сопряжения подслоя с подложкой
Появление приведенного на рис. 3 дефекта снижает адгезионные связи между подслоем и подложкой.
Как видно на рис. 1,а по закону Дарси [2] снижение границы мениска на величину h настолько же увеличивает высоту неровностей ARz2 покрытия.
Если принять:
h = AR
то
A RZ2 =
(H-H1-RZ2)FcKnH2 KiFKP
(5)
(6)
где Бс - диаметр сопла плазменной установки; К п - коэффициент плотности заполнения канала жидким металлом. По [2]
К п =(Vi-V2) /Vi
(7)
Величину К п устанавливают измерением сплошности материала покрытия на шлифах. К1 - коэффициент фильтрации (мкм/сек), по [2] определяется экспериментально по скорости перемещения границы мениска в зависимости от свойств губчатой поверхности и жидкой среды.
С учетом допущения, что H2=D, формула (6) примет вид
4V3 (Н - Н - Rz 2 ) F с кп
ARZ2 =
K-iD
(8)
(9)
Обеспечение надежности закрепления гранул в поверхностном слое покрытия
Расчеты, выполненные по (9), позволяют оценить надежность закрепления гранул в поверхностном слое покрытия. Для этого необходимо выполнить требования критерия:
ARZ2 <(1- Ka)D,
(10)
где Кз - коэффициент закрепления.
Для принятой сферической формы КЗ должен быть не менее 2/3 диаметра гранул.
За счет эрозионного износа, в первую очередь, снижается толщина, образованная частицами порошка подслоя (слой Н1), а термостойкие гранулы (слой Н2) преимущественно выпадают из покрытия по мере износа подслоя. Это позволяет установить начальную границу заполнения металлом подслоя канала между гранулами в начале эксплуатации изделия Н3:
Н3 = Н- ARZ2 -АН> K3D
(11)
где АН - износ покрытия после заданного количества пусков.
Из условия подобия процессов износа при
всех пусках по [3] можно найти среднюю величину износа и1ср за один пуск при нормированном в задании количестве пусков N н:
U - —
U 1 СР N н •
(12)
Величина АН находится прямыми измерениями толщины покрытия перед огневыми испытаниями и после нормированного количества пусков. Отсюда находится минимальная начальная толщина H3min подслоя после нанесения наружного слоя:
H з m i n>H i+ K3D + A H . (13) Заключение
Выполнение условия (13) гарантирует (при выполнении прочих условий) отсутствие критического осыпания гранул и устраняет утрату термостойкости покрытий из-за их разрушения. Практическое использование рассмотренных покрытий подробно рассмотрено в [4].
Литература
1. Кадырметов А.М. Управление технологическим обеспечением процессов плазменного нанесения покрытий в режиме модуляции электрических параметров. Воронеж: ИПЦ «Научная книга», 2013. 260 с.
2. Рабинович Е.З. Гидравлика. М.: Госиздат, 1961.
408 с.
3. Безъязычный В.Ф. Методические подобия в технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 2012. 320 с.
4. Сафонов С.В. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик изделий. Воронеж: ИПЦ ВГУ, 2015. 225 с.
Поступила 28.11.2018; принята к публикации 25.01.2019 Информация об авторах
Смоленцев Владислав Павлович - д-р техн. наук, профессор кафедры технологии машиностроения, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 89036559970 Портных Александр Иванович - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 89081368109
Паничев Евгений Владимирович - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 89081373537
MECHANISM OF FORMATION OF HIGH-LIFE HEAT-RESISTANT COATING V.P. Smolentsev, A.I. Portnykh, E.V. Panichev Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the application of the method of atmospheric plasma deposition of coatings resistant to thermal shocks to the high-temperature zone of the combustion engine block of heat engines is considered. The considered heat-resistant coating consists of several layers: internal metallic, in contact with the base part or substrate, and external mineral and ceramic, including granules of oxide ceramics and metal powder. Calculation schemes were constructed to demonstrate the mechanism of capillary reduction of the sublayer level during the application of the main coating layer. It was established that during the formation of the outer layer, the flow of molten metal obeys the laws of movement of non-Newtonian liquids as they flow in capillaries formed between adjacent granules. Mathematical dependences of the change in the height of asperities of the surface depending on the size of the applied sublayer and coating are given. The effect of such phenomena on the strength of fixing the applied particles in the coating and the change in the height of asperities of the surface layer are shown. The factors leading to a decrease in the adhesive strength of the applied coating are given, and the influence of the technological parameters of the deposition process on the durability of the coatings during firing tests of products with the reduction of the dependence determining the minimum sublayer thickness is disclosed
Key words: coating, granules, capillary phenomena, surface roughness, granule size, durability, granule fixing strength
References
1. Kadyrmetov A.M. "Management of technological providing of processes of plasma deposition of coatings in the mode of modulation of electrical parameters" ("Upravlenie tekhnologicheskim obespecheniem protsessov plazmennogo naneseniya pokrytiy v rezhime modulyatsii elektricheskikh parametrov"), Nauchnaya kniga, 2013, 260 p.
2. Rabinovich E.Z. "Hydraulics" ("Gidravlika"), Moscow, Gosizdat, 1961, 408 p.
3. Bezhyazichniy V.F. "Method of similarity in manufacturing engineering" ("Metodicheskie podobiya v tekhnologii mashi-nostroyeniya"), Moscow, Mashinostroenie, 2012, 320 p.
4. Safonov S.V. "Technological provision of the technical characteristics" ("Tekhnologicheskoe obespechenie eksplu-atatsionnykh kharakteristik izdeliy"), Voronezh, VSU, 2015, 225 p.
Submitted 28.11.2018; revised 25.01.2019
Information about the authors
Vladislav P. Smolentsev, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. 89036559970
Aleksandr I. Portnykh, Graduate Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. 89081368109
Evgeniy V. Panichev, Graduate Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. 89081373537
