CC BY
22
Б01 10.25987/У8Ти.2019.15.1.017 УДК 621.9.047
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ
ТЕРМОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ
А.И. Портных, В.П. Смоленцев, Е.В. Паничев Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассмотрены условия применения термозащитных многослойных покрытий, наносимых способом атмосферного плазменного напыления. Приведены схема, методы расчетов и выбора технологических режимов нанесения покрытий, назначаемых с учетом эксплуатационных требований, где принимаются во внимание условия работы деталей с термозащитным покрытием, наносимым на высокотемпературные зоны двигателей летательных аппаратов. Рассмотрены покрытия, состоящие из нескольких слоев, сочетание которых обеспечивает высокую адгезионную прочность и эрозионную стойкость покрываемой поверхности изделия. Показаны назначение и влияние металлического подслоя на формирование основного покрытия, а также зависимости для определения его минимальной величины, обеспечивающей получение максимальных эксплуатационных характеристик покрытия. На основании приведенных математических зависимостей обоснован выбор режимных показателей перемещения сопла плазмотрона, рационального расхода порошковых материалов, оптимальных размеров применяемых гранул и энергетических параметров напыления, а также величины припуска на полировку переходных участков покрытия. При разработке режимов впервые учтены особенности течения расплавленного металла подслоя покрытия на формирование технологических показателей процесса нанесения двухслойного покрытия, наружный слой которого содержит минералокерамические гранулы на основе оксидной керамики
Ключевые слова: технологические режимы, плазменное нанесение, термозащитные покрытия, гранулы, слои, капиллярность
Введение
Проведенный нами анализ показал, что для нанесения покрытий с термозащитным слоем из минералокерамических гранул наибольшие преимущества имеет плазменный метод. Технология нанесения защитных покрытий применительно к ремонту техники исследовалась в [1]. Однако при нанесении многослойных покрытий, работающих в условиях многократных тепловых ударов, требуется разработка и назначение технологических режимов с учетом выполнения эксплуатационных требований, главными из которых являются поддержание термостойкости покрытия при нахождении в зоне горения топлива с температурой 2200-2300 К, эрозионная стойкость и диффузионная прочность покрытия в условиях контактирования со струей факела пламени, содержащего агрессивные компоненты. Особенностью построения методик расчета технологических режимов являются учет взаимосвязи между всеми этапами обработки плазменным методом и разработка новых покрытий и полировки поверхности минералоке-рамических гранул, позволяющих достичь требуемых эксплуатационных показателей де-
© Портных А.И., Смоленцев В.П., Паничев Е.В., 2019
талей высокотемпературной зоны жидкостных ракетных двигателей.
Структура слоев покрытий с минералокерамическими гранулами
На рис. 1 показаны основные элементы многослойных покрытий.
Рис. 1. Схема размещения слоев в покрытии Н - общая толщина покрытия; Н^ - толщина подслоя; Н3 - высота столба подслоя в канале; - величина микроуглублений в подложке; - высота микронеровностей покрытия; Б - диаметр гранулы. 1 - гранула; 2 - подложка; 3 - материал подслоя
При расчете режимов обработки сделан ряд допущений. Так, принято, что все минера-локерамические гранулы имеют сферическую форму с постоянным диаметром D.
Реальные порошки, используемые для нанесения покрытий, имеют частицы, соизмеримые с толщиной наружного слоя (Н2 на рис. 1). Измерения показали, что сечение гранул изменяется от нескольких десятков до нескольких сотен микрон. Для получения достоверных результатов при оценке адекватности моделей использовались специально отобранные гранулы, у которых геометрия близка к сферической, а размеры изменяются в пределах 5%.
При расчете режимов учитывается, что толщина подслоя (Н1) в покрытии (Н) снижается из-за перемещения части материала подслоя 3 в пространство между гранулами 1 до образования столба Н3 (рис. 1). Как показано в [1], подача металлических частиц (до 20 % к объему материала наружного слоя покрытия) может компенсировать выгорание материала подслоя в дуге плазмы.
Для создания требуемой адгезии подслоя с подложкой 2 (рис. 1) на ее поверхности создают искусственную шероховатость Rzl, а шероховатость покрытия Rz2 зависит от положения в покрытии гранул 1 и при принятых допущениях оценивается как выступание их вершин (Н - Н3).
Технологические режимы нанесения покрытий
Для получения качественного покрытия (рис. 1) необходимо назначить рациональные режимы на всех этапах выполнения операций нанесения и полировки покрытий, главными из которых являются:
- подготовка поверхности под покрытие, где требуется создать искусственную шероховатость Rz1. В настоящее время это выполняют пескоструйным методом, где используют режимы: материал абразива карбид кремния марки 54С с зернистостью F 20; расстояние от среза сопла до обрабатываемой поверхности 80 - 90 мм; угол атаки струи 50 - 700; давление подачи воздуха с абразивом 0,5-0,6 МПа; подача детали относительно сопла 50-60 мм/мин.;
- нанесение подслоя: термореагирующий порошок ПТ-Ю10Н, выпускаемый по ТУ 14-13926-85, и ранее применяемый стандартный
порошок ПХ20Н80 56-26, выпускаемый по ГОСТ 13084-88. С учетом исследований [1], сила тока дуги плазматрона выбирается в пределах 340 - 360 А, напряжение 38 - 42 В, скорость перемещения вдоль зоны покрытия детали относительно сопла плазмотрона 4,0 - 4,5 мм /об. Минимальная толщина подслоя 60 - 70 мкм.
Из рис. 1 видно, что для обеспечения работоспособности всех слоев покрытия должно выполняться условие:
. (1)
Основным назначением подслоя является закрепление в нем гранул покрытия, поэтому его минимальная толщина не может быть менее высоты неровностей подложки. Для повышения адгезионной прочности покрытия желательно иметь минимальный подслой. Однако полное его исключение невозможно, поскольку часть гранул может располагаться над выступами подложки и для их закрепления необходимо обеспечить заполнение материалом подслоя пространства между гранулами на высоту К^, где К3 - коэффициент закрепления гранулы в покрытии. По [2] при изготовлении абразивного инструмента коэффициент закрепления не может быть меньше 2/3.
Тогда минимальная высота подслоя с учетом закрепления гранул составит:
Н з т 1 п = Н — Я 2 2 + Я 2 1 - Н!. (2)
Н31пт зависит от интенсивности капиллярного эффекта, вызывающего снижение уровня подслоя в каналах между гранулами. Поэтому величину Н31пт оценивают через измерения Н и
При отработке режимов установлено, что для получения подслоя с толщиной 70-100 мкм расход порошка должен находиться в диапазоне от 35 до 45 г/мин. При нанесении покрытия расстояние от среза сопла до напыляемой поверхности назначается 80 - 90 мм. Тогда скорость напыления составляет от 400 до 460 мм2/мин.
Далее необходимо рассчитать или назначить режимы нанесения защитного (наружного) слоя, содержащего минералокерамические гранулы, а в некоторых случаях компоненты первого слоя (нихром и др.), содержание которых может достигать 20% и более. Расход ма-
териала подслоя Wп находится с учетом потерь на выгорание и рассеивание частиц. По [1] такие потери могут составлять до 30 - 40 % и более. Они оцениваются коэффициентом потерь Кп.
Тогда:
щ _ Кпан10рс Уп
п = сага +Мпл)гс
(3)
где Тс - сплошность материала подслоя перед его применением;
Кд - коэффициент, учитывающий пополнение объема подслоя за счет дополнительной подачи материала подслоя при нанесении наружного слоя. Такой компонент компенсирует потери материала подслоя за счет выгорания и других факторов.
С учетом этого расход материала Wн, наносимого на наружный слой покрытия, может быть оценен через расход материала подслоя Wп:
УН «2 Уп «1
(4)
где Н1 - толщина подслоя в покрытии после нанесения наружного (защитного) слоя толщиной Н2;
ун - средняя плотность материала наружного слоя.
При нанесении наружного слоя необходимо обосновать размеры гранул, которые изменяются в широких пределах. Измерения показали, что этот диапазон составляет от нескольких микрон до 220 мкм. Сепарация покрытий перед нанесением слоев позволяет сузить диапазон изменения размеров до 10 -20%.
Из [2] принято, что коэффициент закрепления Кз зависит от диаметра гранул и не может быть меньше 0,6 - 0,7 их величины. Тогда выступающая часть гранул формирует высоту неровностей Rz2 и по этим измерениям можно выявить рекомендуемый диаметр гранул D, который находят с учетом динамики эрозионного износа поверхностного слоя:
Б =
я,
(1 -К3)+игм'
(5)
где И1- средний эрозионный износ покрытия после одного пуска;
N - нормированное количество пусков за период эксплуатации двигателей.
Выполненные расчеты и проведенные эксперименты позволили рекомендовать следующие режимы нанесения поверхностного слоя: сила тока дуги плазмотрона 380 - 420 А, напряжение 70 - 75 В, скорость перемещения сопла вдоль зоны покрытия 4,0 - 4,5 мм/оборот, материал гранул - минералокера-мика из диоксида циркония с диаметром гранул эквивалентеным 120 - 150 мкм.
Для снижения скорости износа покрытия при эксплуатации переходные участки полируют абразивным материалом, достигая снижения шероховатости Rа на этих участках до 2,5 мкм и ниже.
Гранулы имеют значительный разброс размеров, поэтому расчет припуска Ъ выполняют для наиболее крупных гранул, определяющих шероховатость поверхности после полировки:
Ъ = (1 — К3 ) Б — И ^ .
(6)
На рис. 2 показано изменение высоты неровностей (Иа) от величины снятого припуска
(Ъ).
Рис. 2. Выбор припуска под полировку 1 - высота неровностей, требуемая на переходных участках покрытий;
2 - изменение высоты микронеровностей в зависимости от величины снятого припуска
Из рис. 2 следует, что для условий проведения экспериментов (зависимость 2 на рис. 2) заданная высота неровностей достигается при удалении слоя не менее 8 - 10 мкм. Увеличение припуска обеспечивает получение переходных участков с требуемой шероховатостью, но снижает эксплуатационные показатели покрытия. Поэтому рекомендуется назначать припуск под полировку в пределах 10 - 15 мкм.
Заключение
Литература
Разработанные технологические режимы и рекомендации по их использованию подтверждены при экспериментальной проверке результатов на образцах деталей и в процессе огневых испытаний на макетах камер сгорания ракетных двигателей, что дает основания рекомендовать их к использованию при проектировании технологических процессов плазменного нанесения многослойных термозащитных покрытий.
1. Кадырметов А.М. Управление технологическим обеспечением процессов плазменного нанесения покрытий в режиме модуляции электрических параметров. Воронеж: ИПЦ «Научная книга», 2013. 260 с.
2. Шумячер В.М., Славин А.В., Крюков С.А. Основы создания высокоэффективных абразивных инструментов. Волгоград: ВолгГАСУ, 2015.134 с.
3. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сухомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1969. 440 с.
Поступила 28.11.2018; принята к публикации 04.02.2019
Сведения об авторах
Портных Александр Иванович - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект,14), тел. 89081368109
Смоленцев Владислав Павлович - д-р техн. наук, профессор кафедры технологии машиностроения Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект,14), тел. 89036559970 Паничев Евгений Владимирович - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект,14), тел. 89081373537
PROCESS CONDITIONS FOR PLASMA LAYING OF MULTILAYER PROTECTIVE COATINGS
A.I. Portnykh, V.P. Smolentsev, E.V. Panichev
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the conditions for the use of thermal protective multilayer coatings applied by atmospheric plasma spraying are considered. The scheme, methods of calculation and selection of technological modes of applying coatings, assigned according to operational requirements, are given, where the working conditions of parts with a thermal protective coating applied to high-temperature zones of aircraft engines are taken into account. The coatings consisting of several layers, the combination of which provides high adhesive strength and erosion resistance of the coated surface of the product, are considered. The purpose and effect of the metal underlayer on the formation of the main coating, as well as dependencies to determine its minimum value, ensuring the maximum performance of the coating, are shown. Based on the above mathematical dependencies, the choice of regime parameters for the movement of the plasma torch nozzle, the rational consumption of powder materials, the optimal size of the used granules and the energy parameters of spraying, as well as the amount of allowance for polishing the transitional areas of the coating is justified. When developing modes for the first time, features of the flow of molten metal of the coating sublayer were taken into account for the formation of technological indicators of the process of applying a two-layer coating, the outer layer of which contains mineral-ceramic granules based on oxide ceramics
Key words: technological modes, plasma coating, heat coatings, granules, layers, capillarity
References
1. Kadyrmetov A.M. "Management of technological control of processes of plasma laying of coatings in the mode of modulation of electrical parameters" ("Upravlenie tekhnologicheskim obespecheniem protsessov plazmennogo naneseniya pokrytiy v rezhime modulyatsii elektricheskikh parametrov"),Voronezh, nauchnaya kniga,2013, 260 p.
2. Shumacher V.M., Slavin A.V., Kryukov S.A. "Bases of creation of highly effective abrasive instruments" ("Osnovy so z-daniya vysokoeffektivnykh abrazivnykh instrumentov"), Volgograd, VolgGASU, 2015, 134 p.
3. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukhomel A.S. "Heat transfer" ("Teploperedacha"), Moscow, Energiya, 1969, 440 p.
Submitted 28.11.2018; revised 04.02.2019 Information about the authors
Aleksandr I. Portnykh, Graduate Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. 89081368109
Vladislav P. Smolentsev, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. 89036559970
Evgeniy V. Panichev, Graduate Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. 89081373537
