CC BY
78
УДК 621.824.004.67
Р. А. Лиджи-Горяев, А. В. Кораблин, В. Д. Евдокимов Астраханский государственный технический университет
ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБОРУДОВАНИЯ, ПРИМЕНЯЕМОГО ПРИ ПЛАЗМЕННОМ НАПЫЛЕНИИ
В настоящее время основное количество судов, работающих в Волго-Касспийском бассейне (ВКБ), - это суда построенные порядка 30 лет назад. В связи с этим остро стоит вопрос о продлении срока их работы. Надежность работы судна определяет главная энергетическая установка (ГЭУ). Наиболее ответственным и дорогостоящим элементом является коленчатый вал судового двигателя. По статистике на его долю приходится порядка 15 % отказов работы от общего числа отказов по судну.
Именно поэтому задача обеспечения качественного восстановления ответственных деталей ГЭУ является актуальной и требующей всестороннего анализа.
Существующие методы качественного восстановления поверхностей элементов судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС) весьма разнообразны, но наиболее перспективным является метод плазменного напыления [1]. Применение данного метода позволяет не только восстановить поверхности (например, шейки коленчатых валов СДВС), что продлевает ресурс их работы, но и создавать новые детали.
Поверхности, восстанавливаемые методом плазменного напыления, как и сама технология напыления, обладают широким спектром положительных свойств.
Однако характеристики оборудования, применяемого при напылении, которые оказывают влияние на качество восстанавливаемой поверхности, изучены недостаточно [2]. Существующие модели (типы) плазмотронов весьма разнообразны, и выбор наиболее оптимального для проведения технологических операций достаточно сложен.
Так, основными критериями при выборе качественной модели плазмотрона являются:
- угол подачи материала;
- газовые составляющие;
- напряжение дуги;
- диаметр сопла и т. д. [2].
Исследования, проведенные в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций (СПГУВК) на шести типах плазмотронов: УПУ-3Д, УПУ-8, ЕИ-80, МеЮо-60, АПРПН с АПР-404 и С2В3 с АПР 404 с различными приспособлениями ввода материала, позволили установить, что помимо основных параметров напыления (скорость подачи, расход газа и т. д.) на качество восстанавливаемой поверхности оказывают влияние таких параметры оборудования, как напряжение и угол наклона плазмотрона.
Результаты экспериментов представлены на рис. 1.
Рис. 1. Влияние напряжения дуги плазмотрона на когезионную прочность покрытия
Рис. 2. Влияние угла наклона плазмотрона на когезионную прочность покрытия
Согласно рис. 2, наиболее оптимальным углом наклона плазмотрона, при всех прочих равных условиях, для всех шести типов испытуемых плазмотронов является угол 90°: при этом угле наклона достигаются наибольшие значения когезионной прочности, что в свою очередь приводит к уменьшению износа восстанавливаемой детали [2]. На когезионные свойства оказывает также влияние и напряжение на дуге: чем оно выше, тем сильнее когезионные свойства покрытия (рис. 1). Однако данный факт верен не для всех типов плазмотронов. Как показали исследования, плазмотрон С2В3 по своим техническим особенностям не способен постоянно поддерживать данную закономерность (см. рис.1).
Немаловажным фактом является и то, что даже при всех равных параметрах применяемых установок диапазон получаемых результатов показателей качества плазменного покрытия (адгезионные и когезионные свойства) весьма велик (табл. 1).
В табл. 1 приведены данные по напылению покрытия ПХ20Н80 на основной материал сталь 45 коленчатого вала двигателей типа ^УВ, установленных на судах ВКБ. Исследования показали изменение свойств плазменного покрытия в зависимости от применяемого оборудования и газового носителя.
Таблица 1
Влияние оборудования на свойства покрытий
Тип установки Тип плазмотрона Плазмообразующий и транспортирующие газы Адгезионная прочность, МПа Когезионная прочность, МПа
УПУ-3Д ПП-25 Ат + 10 % N 35 80
УПУ-3Д Т-14 Ат + 10 % N 40 130
АПР 404 АПРП Воздух 30 60
АПР 404 С2В3 Воздух 50 160
В качестве газовых носителей обычно используются аргон или азот, менее распространены их смеси с водородом и гелием (табл. 2).
Таблица 2
Некоторые физико-химические характеристики плазмообразующих газов
Характеристика Аргон Азот Водород Гелий
Относительная атомная или молекулярная масса 33,94 28,016 2,016 2,04
Энтальпия плазмы, ккал/кг 4670 9950 76 600 57 100
Температура плазмы, К 14 000 7 300 5100 20 000
Напряжение дуги, В 30 60 62 47
Энергия, подаваемая к дуге, кВт 48 65 120 50
Коэффициент использования энергии для нагрева газов, % 40 60 80 48
Так, аргон, инертный газ, позволяет уменьшить окисление частиц при напылении, обеспечивает минимальное изнашивание электрода, легкое зажигание и устойчивое горение дуги.
Азот дешевле аргона, но имеет ряд недостатков:
- даже при небольшом количестве кислорода быстро разрушает вольфрамовый электрод;
- на расщепление азота требуется больше энергии, чем на расщепление аргона.
Гелий для нанесения покрытия практически не применяется ввиду его большой стоимости и разрушающего действия на электроды [3].
Однако все вышеперечисленные газы весьма дорогостоящи и обладают различными недостатками, поэтому их применение весьма затруднительно. Исходя из этого, наиболее целесообразно в качестве газового носителя применять воздух [4].
Выводы
На свойства плазменных покрытий оказывают влияние и характеристики применяемого оборудования.
Результаты исследований позволили принять за основу и рекомендовать для восстановления шеек коленчатых валов методом плазменного напыления тип установки АПР-404 и тип плазмотрона АПРП, в качестве газового носителя - воздух и угол подачи плазмотрона принять равным 90°.
При соблюдении данных условий повышается возможность получения высококачественных поверхностей, что приведет к продлению срока службы элементов ГЭУ.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии. - М.: Машиностроение, 1986. - 359 с.
2. Борисов Ю. С. Газотермические покрытия из порошковых материалов. - Киев: Наук. думка, 1987. - 565 с.
3. Пленки и покрытия // Тр. 5-й Междунар. конф. / Под ред. проф., д. т. н., ака-
демика НАН В. С. Клубникина. - С.-Пб.: Полиплазма, 1998. - 505 с.
4. Пленки и покрытия // Тр. 6-й Междунар. конф. / Под ред. проф., д. т. н., ака-
демика НАН В. С. Клубникина. - С.-Пб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. - 643 с.
Получено 29.12.05
THE REVIEW OF TECHNICAL CHARACTERISTICS OF THE EQUIPMENT USED AT PLASMA SPRAYING
R. A. Lidzhi-Goryaev, A. V. Korablin, V. D. Evdokimov
The method of plasma spraying used at elements reconstruction of marine engines is ineffective for various reasons. The major cause is insufficiently investigated characteristics of the used equipment.
The review of researches has revealed the basic characteristics of the equipment that should be taken into account at the development of plasma spraying technology.
