CC BY
10
Разработка системы охлаждения вакуумной камеры установки по нанесению многокомпонентных нанокомпозитных покрытий
А.А Татарканов, А.Н. Муранов, А.Х. Лампежев, Н.З. Иванов Институт конструкторско-технологической информатики РАН (ИКТИ РАН)
Аннотация: Рост глобальной экономики и активное развитие промышленности ограничены среди прочего возможностями существующей техники. При этом потенциал улучшения функциональных характеристик классических материалов практически исчерпан, а широкое применение новых композиционных материалов и высокоэнтальпийных сплавов ограничено высокой стоимостью и сложностью технологического процесса их изготовления и обработки. Таким образом, актуален вопрос разработки технологий и оборудования для модификации поверхностного слоя и создания многокомпонентных покрытий специального назначения, в том числе нанокомпозитных. В статье приводятся результаты исследования, посвященного созданию установки для нанесения подобных покрытий методом плазменного напыления. Одним из ключевых элементов конструкции установки является вакуумная камера, корпус которой в процессе эксплуатации подвергается интенсивному термическому нагружению. Для сокращения материальных и временных ресурсов на этапе проектирования и экспериментальной отработки было проведено моделирование температурного состояния корпуса камеры, за счет которого удалось исключить из рассмотрения нерелевантные варианты системы охлаждения. Результаты моделирования подтверждают работоспособность системы охлаждения корпуса вакуумной камеры в условиях эксплуатации. Определены следующие рабочие параметры системы: давление на входе составляет 0,6 МПа, расход воды - 2 л/с, а среднемассовая температура воды на выходе - около 40°С.
Ключевые слова: плазменное напыление, моделирование температурного состояния, вакуумная камера, система охлаждения.
Введение
Развитие глобальной экономики, увеличение темпов промышленного производства и соответственно потребления материальных и энергетических ресурсов приводит к возникновению экологических проблем, истощению природных ресурсов, усилению интенсивности труда и повышенному износу техники и оборудования. В связи с этим вопрос экономии невозобновляемых ресурсов становится в последнее время все актуальнее. Одним из возможных направлений решения данной проблемы является увеличение срока службы технических систем. При этом, несмотря на совершенствование комплекса технического обслуживания и ремонта, экономические потери, связанные с
преждевременным выходом из строя оборудования, в развитых странах составляют до 3-4 % ВВП [1-3].
Также стоит отметить значительное развитие за последние десятилетия конструкционных материалов и технологических процессов их получения. Для удовлетворения потребностей ракетно-космической, авиационной, атомной, нефтегазовой и других отраслей промышленности, в которых изделия и оборудование испытывают повышенные нагрузки, разрабатываются более прочные и термостойкие материалы. В частности, все более широкое применение в технике получают многофазные композиционные материалы и высокоэнтальпийные сплавы. Композиты представляют собой многокомпонентные анизотропные материалы регулярной структуры, в которых, как правило, можно выделить армирующий наполнитель и матрицу, в то время как высокоэнтальпийные сплавы - это соединения пяти или более легирующих элементов в равных или почти равных концентрациях без четкого разделения на атомы растворителя и растворенных веществ. Данные материалы могут обладать комплексом характеристик, таких, как повышенные прочность, твердость, термическая стабильность, стойкость к коррозии и износу, которые обуславливают их широкое инженерное применение. Однако актуальным остается вопрос их эффективной технологической обработки [4-6].
Современные знания о физикомеханических, теплофизических и химических характеристиках материалов позволяют сделать вывод о том, что структурно-фазовое состояние тонкого поверхностного слоя во многих случаях имеет определяющее значение в процессах износа, разрушения, химической и термической деструкции материалов. Особенно данная информация релевантна по отношению к рабочим поверхностям инструментального и обрабатывающего оборудования (резцам, фрезам, сверлам, а также другим инструментам для резки, штамповки, дробления и
т.д.), которые в процессе эксплуатации подвергаются интенсивным механическим и тепловым нагрузкам [7-9].
Общим подходом к решению вышеперечисленного комплекса проблем, связанных с увеличением срока службы техники, включая обрабатывающие инструменты и станки, необходимые, в том числе, для работы с новыми высокопрочными и термостойкими материалами, является модификация поверхностного слоя и создание различного рода функциональных покрытий, обладающих необходимым комплексом характеристик, которые зависят от области применения. Необходимо отметить, что потенциал одноэлементных покрытий к настоящему времени уже практически исчерпан. Поэтому актуальной является задача разработки технологий и оборудования для нанесения многокомпонентных нанокомпозитных покрытий [10-12].
Среди существующих методов формирования покрытий значительное распространение для широкого спектра применений получил достаточно универсальный метод плазменного напыления, который позволяет наносить покрытия металлов и их химических соединений путем осаждения на подложку многокомпонентных потоков плазмы. При этом за счет варьирования в широком диапазоне технологических параметров процесса: подготовки поверхности, количества электродов, элементного состава материалов, силы тока дуги, времени выдержки, давления реактивного газа и т.д., удается создавать покрытия с заданными эксплуатационными характеристиками [13, 14]. Также данная технология позволяет проводить предварительную обработку рабочей поверхности изделия потоком плазмы, при которой происходит не только очистка от загрязнений, но и модификация поверхностного слоя, что позволяет увеличить сцепление покрытия с основой [15]. Совмещение данных процессов в одном технологическом цикле, а также широкие возможности настройки
М Инженерный вестник Дона, №11 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl 1у2021/7276
параметров, обуславливают эффективность и соответственно распространенность данного метода.
Одним из ключевых элементов технологического оборудования для данного метода является вакуумная камера, изолирующая изделие от внешнего воздействия и позволяющая контролировать давление и чистоту газовой смеси при напылении покрытия. При эксплуатации корпус камеры подвергается интенсивному термическому нагружению. Соответственно вопрос проектирования системы охлаждения корпуса является актуальным.
Вакуумная камера установки по нанесению многокомпонентных
нанокомпозитных покрытий
Вакуумная камера представляет собой герметичный сосуд с двойными стенками, системой технологических отверстий и закрываемой дверцей (Рисунок 1).
Рис. 1. - Вакуумная камера установки по нанесению многокомпонентных нанокомпозитных покрытий: 1 - корпус камеры; 2 - дверца
Двойные стенки камеры образуют полость охлаждения (или подогрева для ускорения процесса вакуумирования камеры) рабочего объема камеры. Внутренние стенки выполнены из малогазящей нержавеющей стали. На верхней плоскости и по бокам камеры имеются проемы с фланцами 3, 4 и 5 для установки системы электродов (Рисунок 2). На нижней плоскости имеется проем с фланцем 6 для установки вращающегося стола. Также снизу расположены четыре упора для крепления камеры к основанию посредством болтового соединения. Патрубки 7 предназначены для подключения вакуумной системы, которая способна обеспечить давление до 10-4 Па. Отверстие 8 необходимо для установки температурного реле. Все соединения, включая места для подключения электродов и вращающегося
Рис. 2. - Корпус вакуумной камеры: 3, 4, 5 - фланцы для подключения системы электродов; 6 - фланец для установки вращающегося стола; 7 - патрубки вакуумной системы; 8 - отверстие для установки
температурного реле
М Инженерный вестник Дона, №11 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl 1у2021/7276
Аналогичным образом с двойными стенками для охлаждения/подогрева выполнена и дверца камеры (Рисунок 3). В дверце также предусмотрен проем с фланцем 9 для установки системы электродов. Крепление дверцы к корпусу осуществляется посредством кронштейнов, эксцентриков и прижимных валов для обеспечения герметичности.
10
Рис. 3. - Дверца вакуумной камеры: 9 - фланец для установки системы электродов; 10 - полость охлаждения/подогрева
Функционирование установки по нанесению многокомпонентных нанокомпозитных покрытий сопровождается нагревом ее конструктивных элементов, в том числе, вакуумной камеры. В связи с этим необходимо рассмотреть вопрос охлаждения камеры в процессе эксплуатации.
Моделирование температурного состояния вакуумной камеры
Для оценки температурного состояния конструкции вакуумной камеры при напылении было проведено моделирование в конечно-элементном
программном комплексе. Рассматривались два альтернативных варианта -воздушное и водяное охлаждение. При этом схема подачи охлаждающей среды (рисунки 4 и 5) оставалась неизменной. Камера считалась изолированной от внешнего теплового воздействия. Материал конструкции принимался сплошным, однородным, термостабильным с неизменным агрегатным состоянием и химическим составом. По итогам моделирования было получено температурное состояние вакуумной камеры (рисунки 6 и 7). Показано, что для обеспечения безопасного функционирования целесообразно использовать водяное охлаждение. Получены следующие рабочие параметры системы: давление на входе - 0,6 МПа, расход охлаждающей жидкости - 2 л/с, среднемассовая температура охлаждающей жидкости на выходе - около 40°С
Рис. 4. - Схема охлаждения стенок вакуумной камеры
гт)
о , Ч — V
1
V ^ 4 4
{
1 ( Лу
\ ( ( ) )
/ \
\ /
/ * ~
сз *
Рис. 5. - Схема охлаждения дверцы вакуумной камеры
Рис. 6. - Распределение температуры камеры при воздушном охлаждение
Рис. 7. - Распределение температуры камеры при водяном охлаждении
Заключение
Таким образом, на основе результатов моделирования доказана работоспособность системы охлаждения корпуса вакуумной камеры в условиях эксплуатации. Анализ температурного состояния конструкции камеры позволяет определить, что наибольшие температуры наблюдаются в неохлаждаемых местах соединения корпуса и дверцы камеры. При воздушном охлаждении температура конструкции не превышает 536 К, а при водяном 435 К. В связи с этим целесообразно использовать водяное охлаждение с давлением на входе в 0,6 МПа. Расход охлаждающей жидкости при этом составит 2 л/с, а среднемассовая температура на выходе - около 40°С Применение математического моделирования позволяет сократить требуемые материальные и временные ресурсы на этапе проектирования и
экспериментальной отработки за счет исключения из рассмотрения нерелевантных вариантов конструктивного исполнения узлов установки.
Информация о финансовой поддержке
Отдельные результаты настоящей работы получены в рамках работ по Соглашению о предоставлении субсидии от 14 декабря 2020 года № 075-112020-032 (идентификатор государственного контракта -000000S207520RNU0002) по теме: «Разработка и организация высокотехнологичного производства запорной арматуры для нужд специальной и медицинской техники с повышенной надежностью и долговечностью на основе применения многокомпонентных нанокомпозитных материалов» c Министерством науки и высшего образования РФ.
Литература
1. Пирогов В.В. и др. Эксплуатация и ремонт технологического оборудования: монография. М.: «Эко-Пресс», 2021. 321 с.
2. Semenov A.B. et al. The modern market of blank productions in mechanical engineering and the problem of standardization of new materials and technological processes // Advanced Materials & Technologies. 2019. №. 1 (13). pp. 3-11. DOI: 10.17277/amt.2019.01.pp.003-011
3. Qin Y. Micromanufacturing engineering and technology. Second Edition. William Andrew, 2015. 858 p. DOI: 10.1016/C2013-0-19351-8
4. Cantor B. Multicomponent and high entropy alloys // Entropy. 2014. V. 16. №. 9. pp. 4749-4768. DOI: 10.3390/e16094749.
5. Li W. et al. Mechanical behavior of high-entropy alloys // Progress in Materials Science. 2021. V. 118 Art. No. 100777. 142 p. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2021.100777
6. Ikeda Y., Grabowski B., Kórmann F. Ab initio phase stabilities and mechanical properties of multicomponent alloys: A comprehensive review for high entropy alloys and compositionally complex alloys // Materials Characterization. 2019. V. 147. pp. 464-511. DOI: 10.1016/j.matchar.2018.06.019
7. Alexandrov I.A., Muranov A.N., Mikhailov M.S. The analysis of ways to increase the durability of shut-off valves loaded elements // Journal of Advanced Materials and Technologies. 2021. V. 6. №. 3. pp. 225-235. DOI: 10.17277/jamt.2021.03.pp.225-235
8. Игнатьев А.С., Моховиков А.А., Овчаренко В.Е. Влияние структурно-фазового состояния поверхностного слоя на износостойкость режущей кромки металлокерамической пластины при резании металла // Инновационные технологии и экономика в машиностроении, Юрга, 2223 мая 2014 года. Юрга: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 2014. С. 244-249.
9. Tatarkanov A.A., Alexandrov I.A., Olejnik A.V. Evaluation of the contact surface parameters at knurling finned heat-exchanging surface by knurls at ring blanks // Periódico Tche Química. 2020. V. 17(36). pp. 372-389. DOI: 10.52571/ptq.v17 .n36.2020.387_periodico36_pgs_372_389 .pdf
10. Makhlouf A.S.H., Scharnweber D. (ed.). Handbook of nanoceramic and nanocomposite coatings and materials. Butterworth-Heinemann, 2015. 612 p. DOI: 10.1016/C2013-0-13073-5
11. Vereschaka A.S. et al. Control of Structure and Properties of Nanostructured Multilayer Composite Coatings Applied to Cutting Tools as a Way to Improve Efficiency of Technological Cutting Operations // Journal of Nano Research. 2016. V. 37. pp. 51-57. DOI: 10.4028/scientific.net/JNanoR.37.51
12. Кудрявцев П.Г., Фиговский О.Л. Нанокомпозитные органоминеральные гибридные материалы // Инженерный вестник Дона, 2014, № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2476
13. Лясникова А.В. и др. Исследование плазмонапыленных нанокомпозитных покрытий на основе магнийзамещенного трикальцийфосфата // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2018. Т. 54. №. 3. С. 247-250. DOI: 10.7868/S0044185618030051
14. Бржозовский Б.М. и др. Технология и оборудование для синтеза нанокомпозитных ионно-плазменных покрытий на рабочих поверхностях геометрически сложных изделий // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева. 2017. №. 1(40). С. 216-222.
15. Долгов Н.А., Смирнов И.В., Андрейцев А.Ю. Влияние режимов плазменного напыления нанокомпозитного порошка Al2O3 - nanoTiO2 на прочность сцепления покрытий // Современные методы и технологии создания и обработки материалов: Сборник научных трудов. В 3-х книгах Минск: Государственное научное учреждение «Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси», 2018. С. 83-92.
References
1. Pirogov V.V. i dr. Ekspluataciya i remont texnologicheskogo oborudovaniya: monografiya [Operation and repair of technological equipment: monograph]. M.: «E'ko-Press», 2021. 321 p.
2. Semenov A.B. et al. Advanced Materials & Technologies. 2019. №. 1 (13). pp. 3-11. DOI: 10.17277/amt.2019.01.pp.003-011
3. Qin Y. Micromanufacturing engineering and technology. Second Edition. William Andrew, 2015. 858 p. DOI: 10.1016/C2013-0-19351-8
4. Cantor B. Entropy. 2014. V. 16. №. 9. pp. 4749-4768. DOI: 10.3390/e16094749.
5. Li W. et al. Progress in Materials Science. 2021. V. 118 Art. No. 100777. 142 p. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2021.100777
6. Ikeda Y., Grabowski B., Kórmann F. Materials Characterization. 2019. V. 147. pp. 464-511. DOI: 10.1016/j.matchar.2018.06.019
7. Alexandrov I.A., Muranov A.N., Mikhailov M.S. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2021. V. 6. №. 3. pp. 225-235. DOI: 10.17277/jamt.2021.03.pp.225-235
8. Ignafev A.S., Moxovikov A.A., Ovcharenko V.E. Innovacionnye texnologii i ekonomika v mashinostroenii, Yurga, 22-23 maya 2014 goda. Yurga: NacionaFny'j issledovateFskij Tomskij politexnicheskij universitet [Innovative technologies and economics in mechanical engineering, Yurga, May 22-23, 2014. Yurga: National Research Tomsk Polytechnic University], 2014. pp. 244-249.
9. Tatarkanov A.A., Alexandrov I.A., Olejnik A.V. Periódico Tche Química. 2020. V. 17(36). pp. 372-389. DOI: 10.52571/ptq.v17 .n36.2020.387_periodico36_pgs_372_389.pdf
10. Makhlouf A.S.H., Scharnweber D. (ed.). Handbook of nanoceramic and nanocomposite coatings and materials. Butterworth-Heinemann, 2015. 612 p. DOI: 10.1016/C2013-0-13073-5
11. Vereschaka A.S. et al. Journal of Nano Research. 2016. V. 37. pp. 5157. DOI: 10.4028/scientific.net/JNanoR.37.51
12. Kudryavcev P.G., Figovskij O.L. Inzhenernyj vestnik Dona, 2014, № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2476
13. Lyasnikova A.V. i dr. Fizikoximiya poverxnosti i zashhita materialov. 2018. V. 54. №. 3. pp. 247-250. DOI: 10.7868/S0044185618030051
14. Brzhozovskij B.M. i dr. Vestnik Rybinskoj gosudarstvennoj aviacionnoj texnologicheskoj akademii im. P.A. Solov'eva. 2017. №. 1(40). pp. 216-222.
15. Dolgov N.A., Smirnov I.V., Andrejcev A.Yu. Sovremenny'e metody' i texnologii sozdaniya i obrabotki materialov: Sbornik nauchnyx trudov. V 3-x knigax. Minsk: Gosudarstvennoe nauchnoe uchrezhdenie «Fiziko-texnicheskij
institut Nacionafnoj akademii nauk Belarusi» [Modern methods and technologies for creating and processing materials: Collection of scientific papers. In 3 books Minsk: State Scientific Institution "Physico-Technical Institute of the National Academy of Sciences of Belarus"], 2018. pp. 83-92.
