CC BY
25
УДК 005 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-5-531-537
УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПРОЦЕССА НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА PFMEA
Е.К. Савич, Д.В. Антипов
В статье представлена модель оценки рисков потенциальных отказов процесса нанесения покрытий методом газотермического плазменного напыления. Построенная модель основана на методике анализа видов и последствий потенциальных несоответствий процесса (РЕМЕЛ). Проведен структурный, функциональный анализ и анализ отказов, возникающих в процессе нанесения покрытий. В результате анализа проведена оценка рисков и установлен перечень мероприятий, направленных на повышение качества процесса нанесения покрытий газотермическим плазменным напылением.
Ключевые слова: модель, качество, риск, отказ, напыление, покрытия, процесс, анализ.
Повышение качества деталей газотурбинных двигателей (ГТД), стабильность их изготовления, обеспечение конкурентоспособности и рост прибыли возможны при постоянном совершенствовании технологических процессов, лежащих в основе их проектирования и производства.
Для повышения эксплуатационных характеристик деталей ГТД в настоящее время широко используются защитные покрытия. В производстве ГТД нанесение покрытий производится гальвано-химическим методом, методами электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме, диффузионного насыщения, плазменного, вакуум-но-плазменного, детонационного напыления и другими. Несмотря на наличие большого числа методов создания различных покрытий, ведутся многочисленные исследования по разработке новых и модернизации существующих методов. Связано это с тем, что каждый технологический метод позволяет решить круг своих конкретных задач. Более того, покрытия, получаемые из одинаковых материалов, но различными методами, обычно имеют различные эксплуатационные свойства. Выбор метода нанесения защитного покрытия зависит от условий работы изделия и применяемого покрытия.
Метод плазменного газотермического напыления обладает широкими возможностями в области формирования структуры покрытия. Он позволяет наносить покрытия из различных материалов: чистых металлов и сплавов на их основе, оксидов, карбидов, боридов, органических веществ и ряда других материалов, в том числе в различных сочетаниях. Также к его преимуществам относится возможность получения покрытий на самых различных конструкциях и материалах - на металлах, стеклах, керамике, пластмассах, тканях, бумаге и т.п. [1].
В связи с тем, что современные жаропрочные материалы на основе никеля, применяемые в ГТД, практически исчерпали свои возможности по жаростойкости. Возможности металлургии в разработке новых конструкционных жаропрочных сплавов с более высокими температурами эксплуатации в основном исчерпаны, исчерпаны также возможности конструктивных решений в снижении нагрева этих материалов за счет специальных систем охлаждения. Наиболее эффективным и экономичным решением данной проблемы является использование на рабочих поверхностях деталей горячего тракта специальных теплозащитных покрытий (ТЗП). Они позволяют улучшить качественные характеристики двигателей, уменьшить расход воздуха на охлаждение, экономить топливо и увеличить температуру газового потока. Одновременно повышается ресурс и надежность деталей, работающих при высоких температурах, и снижается выброс вредных веществ, что обусловлено более полным сгоранием топлива. Таким образом, нанесение теплозащитных покрытий стало распространенным средством повышения сопротивления износу, воздействию тепловых потоков, эрозии и коррозии поверхности деталей газотурбинных двигателей.
Основная проблема заключается в том, что существующие способы нанесения теплозащитных покрытий методом плазменного газотермического напыления приводят к возникновению несоответствий и дефектов, которые трудно поддаются определению в процессе производства. Также отсутствует информация о том, какие именно отказы, несоответствия, риски возникают при нанесении покрытий.
Учитывая выше изложенную проблему, целью данного исследования является разработка типовой модели оценки рисков, построенной на основе анализа видов и последствий потенциальных несоответствий процесса (PFMEA), возникающих в процессе нанесения теплозащитных покрытий методом газотермического плазменного напыления.
PFMEA - это структурированный метод улучшения, позволяющий выявлять потенциальные сбои, анализировать их причины и последствия, а также находить решения, предотвращающие возникновение этих сбоев.
Данный метод впервые начал применяться в аэрокосмической отрасли еще в 60-х годах XX века. FMEA - один из наиболее популярных методов анализа видов и последствий отказов, согласно требованиям стандарта IATF 16949: 2016 он является одним из обязательных для промышленных компаний. В июне 2019 года AIAG & VDA выпустили первое международное руководство по анализу неисправностей и последствий отказов (FMEA). Целью нового руководства является создание общей основы для FMEA для всех секторов.
Проведение анализов рисков и последствий процесса нанесения ТЗП проводилось по новому подходу, в который входят: планирование и подготовка; структурный анализ; функциональный анализ; анализ отказов; анализ рисков; оптимизация и документация результатов. Используемый в руководстве подход делает риски процесса напыления более прогнозируемыми.
На этапе «Планирование и подготовка» сформирована команда для проведения PFMEA анализа. Команда включает пяти специалистов в области газотермического плазменного напыления. Определены: план проведения PFMEA анализа, основные требования потребителя к покрытиям, требования нормативных документов, подробно рассмотрена технология нанесения ТЗП. На этапе подготовки составлена блок-схема технологии нанесения теплозащитных покрытий методом газотермического плазменного напыления. Блок-схема представлена на рис. 1.
На этапе проведения структурного анализа, используя блок-схему процесса напыления, составлено дерево структурного анализа, фрагмент которого представлен на рис. 2.
Шпкгплг 1
нохры [ ИМ с |р**1 угмой
структурой па летала 1"ГД
Вю.цюЯ uorrpa.il> папылагчой летала
Оператор установи деталей и с-аразааи
<он■ рол ь ч-игрид.т» ллм пас
Полготааи юпилагиага м лтерил."
ПОДГОЮВКЯ ШШГрХВОСГ 1Л11Л
Наяеоил» покрытии нл »Лрлигм ■ ДГГЛЛП
Оператор устал пи липипилхлкриюи
Оператор устаноика рлсимон капил^нп «
0<м>р\ ловднне Модернизированная %гспно&ка д.' IУПУ-8М
Нвту л 1.Ш.1 и контроль поперт пост о поьрытпя
, Оборудоиаив* манипулятор перемеатим
КаИГрАЛЬ ТОЛ1Ц НИМ Пй|фк|Т||Я
Оборудовав»: шншг-.ъпор врхшензи
Контроль гтруктури покрытия
Ооорулппанле: долатор полати порошка
Контроль КрММТОЙЪЖТИ вокрытш
Материал транспортирующий глл
Контроль пропвопв покрыпт
|||КМЬ Шф|)»и1К[|| РвК|)Ы1Ю1
с-хлахддюгпа* жнддостс
Рис. 2. Фрагмент дерева структурного анализа процесса нанесения покрытий
В результате функционального анализа определены основные функции процесса напыления, а также операций процесса и элементов функционирования процесса нанесения покрытий. Фрагмент дерева функционального анализа, представлен на рис. 3.
Входной контроль на Основная функция: обеспечить идентификацию деталей н сопроводительным документам; обеспечить контроль полученных детален для напыления
Входной контроль материалов для напыления
Основная функция:
обеспечить контроль полученного порошкового материала, транспортирующего газа н шазмообразующего гага на тветствне требованиям ТД
покрытия с требуемой структурой на детали ГТД Основная функция:
Подготовка напыляемого материала
Основная функция:
обеспечить просушку и ситовой рассев напыляемого
и с требованиями ТД
Подготовка поверхности детали Основная функция: , обеспечить пров еденне струнно-абраз ив нон обработки поверхности напыляемой детали и образцов свидетелей в ивегсггвнн с требованиями ТД
эксплуатационных свойств деталей ГТД за счет нанесения теплозащитного покрытия в
требов аниямн ТД
Нанесение покрь Основная функция: обеспечить нанесен] соответствии с требованиями ТД
образцы н детали
Визуальный контроль поверхности покрытия
, Основная функция: обеспечить визуальный контроль полученного покрытия на соответствие требованиям ТД
Контроль толшнньт покрытия
Ь Основная функция: обеспечить контроль толщины полученного покрытия на соответствие требованиям ТД
Контроль структуры покрытия Основная функция:
• обеспечить контроль структуры полученного покрытия на
соответствие требованиям ТД на металлографических
Оператор: установка деталей и образцов установить детали и образцы
жо в манипуляторе вращения
Оператор: установка защитных экранов
установить защитные экраны
поверхности
Оператор: установка режимов н Функция: установить режимы напыления, возбудить дугу плазмотрона и на установившемся режиме подать в плазмотрон порошок согласно карте режимов; обеспечить контроль за работой оборудования согласно карте реязгмов
Оборудование: Модернизированная установка для:
обеспечить стабильность режимов нанесения покрытия: обеспечить непрерывное формирование сигналов управления электродвигателями движения
плазмотрона (перемещение по осям X, У, а та
Оборудование: плазмотрон Функция: обеспечить нанесение покрытя
Оборудование: манипулятор перемещения
Функция: обеспечить линейное н угловое перемещение плаз матрона
Оборудование: манипулятор вращения Функция: обеспечить вращение детали
Оборудование: дозатор подачи порошка Функция: обеспечить стабильную подачу:
Материал: транспортирующий Функция: обеспечить перенос
материала в плазменной струе
Материал: плазмообразующий газ
Функция: обеспечить образование плазменной струи в плазмотроне
Материал: охлаждающая жидкость
Функция: обеспечить охлаждение напыляемой детали и образцов
Рис. 3. Фрагмент дерева функционального анализа процесса нанесения покрытия
Результаты структурного и функционального анализа заносятся в бланка протокола PFMEA «Этап 2» и «Этап 3», фрагмент бланка для операции «Нанесение покрытия на образцы и детали» представлен на рис. 4.
На основе требований, предъявляемых к процессу определен перечень возможных отказов, возникающих на всех операциях процесса нанесения покрытий. Также определены причины отказов и последствия возникновения отказов. В результате проведения анализа построено дерево отказов, фрагмент которого представлен на рис. 5.
Структурный анализ {Этап 2) Функциональный анализ (Этап3)
1. Процесс создания системы, подсистемы, компонента, шш наименование процесса 2. Операция процесса, номер участка н рассматриваемого элемента (4М) 3. Элемент функционирования процесса (4М: Оператор, оборудование, материал, окр. среда) 1. Функция процесса. Функция системы, подсистемы, компонента или процесса. 2.Функция операции, процесса и характеристики продукции (количественные значения при необходимости) 3. Функция элемента процесса и параметры процесса.
Нанесение теплозащитного покрытия с требуемой структурой на детали ГТД Нанесение покрытия на образцы в детали 1. Оператор: установка деталей и образцов Обеспечить повышение эксплуатационных свойств деталей ГТД за счет нанесения теплозащитного покрытия в соответствии с требованиями ТД Обеспечить нанесение теплозащитного покрытия в "ГдРебо 1. установить детали и образцы в оснасточное колесо по схеме. Закрепить оснасточное колесо в манипуляторе вращения
2. Оператор: установка ■защитных экранов 2. установить защитные экраны на ненапыляемые поверхности
3. Оператор: установка режимов напыления 4. Оборудование: Модернизированная установка для напыления типа "УПУ-SM 5. Оборудование: плазмотрон 6. Оборудование: манипулятор перемещения 3. установить режимы напыления, возбудить дугу плазмотрона и на установившемся режиме подать в плазмотрон порошок согласно карте режимов; обеспечить контроль за работой оборудования согласно карте режимов 4. обеспечить стабильность режимов нанесения покрытия; обеспечить непрерывное формирование сигналов управления электродвигателями движения плазмотрона (перемещение по осям Х; У. а также вращения); сигналов управления скоростями движения плазмотрона и вращением детали, и сигналов включения дозаторов
7. Оборудование: манипулятор вращения 5. обеспечить нанесение покрытя
S. Оборудование: дозатор подачи порошка б. обеспечить линейное и угловое перемещение плазматрона
9. Материал: транспортируемый газ 7. обеспечить вращение детали
10. Материал: плазмообразующий газ 8. обеспечить стабильную подачу напыляемого материала
11. Материал: охлаждающая жидкость 9. обеспечить перенос напыляемого материала в плазменной струе 10. обеспечить образование плазменной струи в плазмотроне 11. обеспечить охлаждение напыляемой детали и образцов
Рис. 4. Фрагмент бланка «Этап 2» и «Этап 3» для операции «Нанесение покрытия на образцы и детали»
Пйкрит» С TpMiV f-ЧйН структур»! нл дгилн ГТД
Освомм *УНИНИ:
экегслуатшнммья евойга деталей ГТД 34 счет нанкам.! тепло гшпитксго пацлша в соохктспии с требованиями ТД
Последстгке Организация:
брак Затраты на упраяте
трудоемкое-п. ил устрале к№ И«ООЗЖеТСПЛК Cpus СрОС! шготмллпп деталей Hbtyi рпшип ii'jiprCiiiT.n: Члтатаия íaópuonra ютлга ЗпрЛиЦЯ
Снижение надемюети к ерем
эксплуатации тдглия Затраты к pevcnrr итделш
Подготовка поверхности детали
Оси f» «И Ji.-HKLVW , обеспечит! Прэиедеюь- crp\"fti*D-.í6pi~!H*MoA обработки
(hum поверитогтк areofft 11 дараигрт. г*
Нэкессние покрыт* Осяшвая функцга «хспечнтъ нанесение teic соответствии с требоыим на торицы и детали МШПИЕНССО ПйфЬСПИ 1 датд
Огкят играноцергаость т йЛЩЯНЫ Пйцити 1
Отказ: высский ко»$фкв» - i Й
Оскзд. [ивлезше жяя.!Л $ азы 112 ПимрХИКГСИ ПОЦЯШИ 1
Orvav гсроагег Детали Ir
Огказ перегрев ссионюгоинсряала детали t
(Лказ: пкрохс*атоеть пе*ер»1е-гтн не соответствует цкисеишхчТД *
Опии псрнпосп не соси rercriyet аребеваииям ТД
От. ЦГДИОМИМЦ шп нишей прочность ue Lj l
Оператор: установка защитных Jtpuwi
3. ikiiküui Efiu ;> пшсос тшдескых npamn на иг
'¡"iflUIHI '.СТШС-ИСГЬ pí*HUbI H¿
¡1 1лртг prXXUQR:«
¡IpHTHHl OUIHÍIIX itpu упаковке pcj
Оборудование: Модернизированная установи для напыления типа УПУ-SM Фунхцкл обсспечниаажмослрежи-манавесенижпечдт«: ооеспечкпнепрерьзк« иппролпптктшк дв
I Нмй a рамте прыраммзмо ойеяечеин
OÓüpyjlíBJH ■е. плазмотрон
Оборудован В( манипулятор перемешення
Прятана поте ря заданной скорости лизейкто в утл «ого пер«*[певня плазмотрон*
тоотвпсгвугt ipnx'ii jicilc-j ТД (присутствуют сколи,
ry-TÍTÓp TIJUiriniKI
Причина: патера заданной гир«та вршкякт детали
Опору job л н не: до затер подачи порошка
Рис. 5. Фрагмент дерева отказов
Последствия отказов оценивались в соответствии с общими критериями оценки процесса по критерию значимости [2] Результаты оценки занесены в «Этап 4» таблицы бланка протокола PFMEA (рис. 6).
Анализируя полученные значимости последствий отказов, возникающих в процессе нанесения покрытий можно сделать вывод, что наиболее значимыми являются отказы операции «Нанесение покрытия на образцы и детали» и операций контроля полученного покрытия. Данные отказы могут привести к умеренно-высоким последствиям. Для самой организации осуществляющей напыление - это 100% брак нанесенного покрытия. Для устранения данного брака потребуется снятие покрытия с детали, повторная обработка поверхности детали и нанесение нового теплозащитного покрытия. Это приведет к значительным затратам и дополнительной трудоемкости. Последствием отказов для внутреннего потребителя будет частичная забраковка изделия, которая приведет к дополнительным затратам на замену забракованных деталей и увеличению времени производственного цикла. Для внешнего потребителя последствием данных отказов являются снижение надежности и срока эксплуатации изделия, следовательно, затраты на ремонт изделия.
Далее установлены текущие меры по предупреждению причин возникновения отказов и действия по обнаружению отказов. В соответствии с общими критериями оценки [2] проведена оценка возможности возникновения (О) и оценка обнаружения (О) отказов на всех операциях процесса нанесения покрытий. Выявлено, что наиболее значимые отказы связаны с низкой квалификацией оператора и поломкой или сбоем оборудования, участвующего во всех операциях процесса нанесения покрытий.
На основании сочетания значимости возможности возникновения (О) и возможности обнаружения (О) определен приоритет действий для устранения рисков возникновения отказов для DFMEA процесса нанесения покрытий. Приоритет действий делится на три вида: H(high), M(medium), L(low). Заполненный фрагмент «Этапа 4», «Этапа 5» и «Этапа 6» для операции «Нанесение покрытия на образцы и детали» протокола PFMEA представлен на рис. 6.
о™.*-«
3 Глацсш'ошич-иит \ Тмупи лсЗггзи: т г^таущгаанпс' 1 к Ттш л1п1п по I о, Ч < 5 ИеЬгпо ш аСпрухстс
I 1 П О -
Зорки» :. Зйриьлкр воль пик 1. СОчжср: чшз'св ара тси:«! —— 3 2 ь Оргапхжаг» е
Б»пш1|) я*тт<4пмь! 5 Оярягр шЛипргпяяи ■штншчч' 3 4 2 2 ь м «и»»« *--—-
успелП1 ал 1дты1гддт > ра&зс 6 —'— 4 н ^"ГГ"™
к 4 04еру1«1л» мир» --vus4.il \-------- ------ 6 4 1] н 11
Т '^--р.-пи,, ПУТ*?* идют^ ....................... е, Г. ОрГШКНГ» ДрСвфСУ
6 ЬтаЫиярш й и
5 Цлуквльа гспрап 2 м
„,!„,„,- 1 щ и. п.; 5 ^—-- 2 м Оореата по^пшс а
усщюии »1 мдмияи. «М » б 4 т. Оргиохыгь «рокрсг
Оу'. ки) Л т т т
ПфНЭ Прсмра сворузн Оргии
2 С...--¡-Г-- о
г«кл и ксгеялцт! сребоЕшни ТД 5 — 2 ь
Рис. 6. Фрагмент бланка «Этап 4», «Этап 5» и «Этап 6» для операции «Нанесение покрытия на образцы и детали»
Высокий приоритет рассмотрения и принятия мер (Н) получили причины отказа оборудования, используемого в операции «Нанесение покрытия на образцы и детали».
Средним приоритетом (М) обладают причины, связанные с низкой квалификацией оператора процесса и причины отказа оборудования во время проведения контрольных операций процесса.
Низкий приоритет для рассмотрения и принятия мер (L) получили причины наименее значимых отказов, возникающих на операциях входного контроля и подготовки поверхности детали и напыляемого материала.
Следующим этапом проведена оптимизация полученных данных. Определены действий для улучшения мер предупреждения и обнаружения причин возникновения отказов, возникающих в ходе напыления.
В результате проведенного исследования сделан вывод, что для снижения возникновения рисков связанных с работой оборудования рекомендовано строгое соблюдение графиков поверки измерительного оборудования и графиков периодической проверки точности работы оборудования для напыления (установка для напыления; плазмотрон; манипулятор перемещения; манипулятор вращения; дозатор подачи порошка). Риски, связанные с низкой квалификацией персонала, рекомендовано снизить путем создания рабочих инструкций для различных операций процесса, а также разработки стандартных методик проведения испытаний.
Список литературы
1. Барвинок В.А. Плазма в технологии, надежность, ресурс. М.: Наука и технологии, 2005. 452 с.
2. AIAG & VDA FMEA Handbook-2019 FMEA Handbook: Failure Mode and Effects Analysis (Reference Manual).
Савич Екатерина Константиновна, аспирант, ассистент, sav-ich.ekaterina@mail.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева (Самарский университет),
Антипов Дмитрий Вячеславович, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, con-expert@mail.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева (Самарский университет)
QUALITY MANAGEMENT OF THE COATING PROCESS USING THE PFMEA METHOD
E.K. Savich, D.V. Antipov
The article presents a model for assessing the risks of potential failures of the coating process by gas-thermal plasma spraying. The constructed model is based on the method of analysis of the types and consequences of potential process inconsistencies (PFMEA). Structural, functional analysis and analysis of failures that occur during the coating process are carried out. As a result of the analysis, a risk assessment was carried out and a list of measures aimed at improving the quality of the coating process with gas-thermal plasma spraying was established.
Key words: model, quality, risk, failure, deposition, coatings, process, analysis.
Savich Ekaterina Konstantinovna, postgraduate, assistant, sav-ich.ekaterina@mail.ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after academician S.P. Koroleva (Samara University),
Antipov Dmitry Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, docent, head of department, con-expert@mail.ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after Academician S.P. Koroleva (Samara University)
