CC BY
53
УДК 621.793.74:621.791.927.55
УПРОЧНЕНИЕ НАПЫЛЯЕМЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ МОЩНОСТИ ВЫНОСНОЙ ДУГИ ПЛАЗМОТРОНА
А. М. Кадырметов, Е. В. Смоленцев, А. Ф. Мальцев, Г. А. Сухочев
Рассмотрен процесс плазменного напыления с использованием косвенной и прямой (выносной) дуг, в котором упрочнение покрытия осуществляется его локальным проплавлением в равномерно распределенных зонах с помощью импульсной модуляции мощности выносной дуги плазмотрона. Теоретически оценены режимы упрочнения, обеспечивающие проплавление покрытия до переходной зоны с основой и удовлетворяющие эксплуатационным поверхностным нагрузкам покрытия
Ключевые слова: плазма, напыление, упрочнение, дуга, модуляция
Введение
Тенденции развития техники приводят к росту удельных нагрузок на детали машин, что требует применения современных технологий, позволяющих повысить качество новых и восстанавливаемых изделий. Для деталей, подверженных эксплуатационным изнашивающим воздействиям и коррозии, это может быть обеспечено путем создания покрытий с помощью прогрессивных технологий, к числу которых относят плазменное напыление [1]. Оно характеризуется малым термическим воздействием на напыляемую основу (до 80...150 °С), высокой производительностью (до 8 кг/ч и более), экономичностью, наиболее широкой номенклатурой напыляемых материалов и универсальностью по отношению к материалам напыляемых деталей.
Однако плазменное напыление имеет ограничения в использовании, в число которых входят: недостаточная прочность самого покрытия и его соединения с подложкой (например, при ударных и знакопеременных нагрузках), остаточные растягивающие напряжения для большинства покрытий, отрицательно влияющие на сопротивление усталости и ограничивающие толщину покрытий величиной около одного миллиметра, пористость и др. Возможные пути устранения данных недостатков и повышения эффективности технологии плазменного напыления заключаются в совершенствовании, развитии и универсализации как самой технологической операции напыления покрытий, так и по-
Кадырметов Анвар Минирович - ВГЛТА, канд. техн. наук, доцент, e-mail: [email protected] Смоленцев Евгений Владиславович - ВГТУ, д-р техн. наук, доцент, e-mail: [email protected] Мальцев Александр Федорович - ВГЛТА, ст. преподаватель, е-mail: [email protected]
Сухочев Геннадий Алексеевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, е-mail: [email protected]
следующих технологических операций их упрочнения или совмещением с ними [2]. К числу таких путей, обеспечивающих повышение физико-механических и триботехнических характеристик покрытий, относится использование в процессе плазменного напыления выносной дуги плазмотрона в режиме модуляции её мощности [3].
Качество получаемых этими процессами покрытий превышает качество традиционно напыленных покрытий за счет регулирования мощности дуг и охлаждения. Это обеспечивает гарантированное оплавление покрытия и меньшее тепловое воздействие на подложку в сравнении с традиционными оплавлением или наплавкой.
Модуляция выносной дуги прямой полярности позволяет получить покрытия с высокими физико-механическими и триботехническими свойствами [4]: прочность соединения покрытия с основой увеличивается в 1,15... 1,25 раза, микротвердость - в 1,1.1,2 раза, сопротивление усталости образцов - до 1,2 раз, износостойкость покрытий - в 1,25. 1,35 раза. Пористость покрытий понижается в 1,2.1,3 раза. Повышение основных физико-механических свойств покрытий позволяет использовать разрабатываемую технологию для деталей, работающих при знакопеременных и циклических нагрузках.
Успешное использование данной технологии сдерживается недостаточной разработанностью теоретических основ и методик выбора параметров модуляции и оптимизации режимов напыления с модуляцией мощности выносной дуги плазмотрона.
Постановка задачи
Обобщенная схема плазменного напыления с упрочнением покрытия с помощью модуляции мощности выносной дуги может быть представлена схемой, предложенной А. Ф. Пузряковым [5] (рис. 1). Использование косвенной и выносной дуг позволяет более гибко регулировать распределение вводимой
мощности между частицами порошка и подложкой. Работа выносной дуги в импульсном режиме дает дополнительные преимущества в возможности регулирования температурного поля основы с минимальным разбросом температур, а также позволяет осуществлять локальное проплавление покрытия в равномерно распределенных его точках до переходной зоны с основой. Это обеспечивает требуемые прочностные характеристики покрытия, удовлетворяющие эксплуатационным поверхностным нагрузкам при ограниченном среднем тепловом воздействии на подложку.
Рис. 1. Обобщенная схема процесса плазменного нанесения и упрочнения покрытий с одним плазмотроном: 1 - катод; 2 - анод; 3 - косвенная (пилотная) дуга; 4 - прямая (выносная) дуга; 5 - подложка; 6 - покрытие; ИП-1, ИП-2 - источник питания косвенной и прямой дуги соответственно; V - скорость перемещения (подача) плазмотрона; Шдл, тп, ттр - расход плазмообразующего газа, материала покрытия и транспортирующего газа соответственно; к - толщина покрытия; Ь - дистанция нанесения и/или упрочнения покрытия
Применение модуляции мощности выносной дуги плазмотрона должно обеспечивать проплавле-ние покрытия на глубину до переходной зоны с основой к + Дк на равномерно распределенных участках площадью 5св каждый в процессе движения плазмотрона со скоростью V (рис. 2, 3). Поперечное сечение каждого такого участка имеет вид, близкий к полукругу [5]. Общее количество зон с проплавленным покрытием должно выбираться исходя из запаса прочности, превышающего поверхностные эксплуатационные нагрузки.
Рис. 2. Схема поперечного сечения зоны расплава покрытия, образованного от импульса мощности прямой дуги: гп - радиус расплавленной зоны покрытия; к - толщина покрытия; Дк - толщина переходной зоны; Ьсв - ширина расплавленной переходной зоны
Для решения поставленной задачи принимаются заданными следующие параметры:
- толщины покрытия к в интервале 0,1-1 мм и переходной зоны Дк в интервале (0,05 ... 0,1)к;
- удельная теплоемкость ст и плотность р материала покрытия;
- площадь локальной проплавленной переходной зоны покрытия с основой 5св;
- площадь поверхности основы
- скорость движения плазмотрона V;
- скважность импульсов £скв (£скв > 1);
- предел пропорциональности материала покрытия опц;
- эксплуатационное напряжение оэ.
Требуется найти зависимость импульсной мощности выносной дуги от глубины проплавления к + Дк и скорости движения плазмотрона V, а также зависимости числа локальных проплавленных зон п, шага обработки Н, длительности импульса ?имп и частоты модуляции vм от вышеперечисленных заданных параметров.
¿д
Рис. 3. Развертка цилиндрической поверхности и схема расположения расплавленных зон покрытия: Бд, Ьд -диаметр и длина цилиндра соответственно; - площадь цилиндрической поверхности; 5"св, /св, Ьсв - площадь, длина и ширина расплавленной переходной зоны покрытия с основой соответственно; Н - шаг винтовой линии обработки
Математическая модель тепловой задачи
Поскольку толщина покрытия составляет доли миллиметра, а форма расплавленной ванны, образованной от миллисекундного импульсного теплового воздействия выносной дуги в месте её привязки к основе, в поперечном сечении близка к форме полукруга [5], то источник тепла можно считать точечным, а основу, в пренебрежении времени выравнивания тепловых процессов, полуограниченным телом.
В этом случае процесс теплового воздействия выносной дуги на поверхность полуограниченного тела можно представить как процесс, в котором ис-
точник тепла (выносная дуга) мощностью Ыимп неподвижен, а полуограниченное тело движется в направлении оси 0х с постоянной скоростью V; начало координат совпадает с источником тепла (рис. 4). В этом случае реализуется квазиустановившийся режим с начальным и граничными условиями [6]:
q
t > 0
= q „
дТ дг
= 0;
0
дТ
дг
= 0,
г = 0
где дшп - тепловой поток от выносной дуги, воспринимаемый телом, Вт.
V
У
я
Рис. 4. К расчету тепловой задачи для полуограниченного тела
В рассмотренных условиях задачи были приняты следующие допущения:
1. Мощность источника тепла постоянна во время импульса (N™ = const, дшп = const).
2. Источник тепла сосредоточен в элементарном точечном объеме; погрешность оценки температуры от этого до глубины, равной толщине покрытия, может быть учтена.
3. Источник тепла равномерно и прямолинейно перемещается по изделию с постоянной скоростью (V = const).
4. Распространение тепла в теле происходит по закону теплопроводности Фурье.
5. Граница тела непроницаема для теплоотдачи от тела.
6. Коэффициенты теплофизических свойств основного металла (коэффициент теплопроводности и объемная теплоемкость) не зависят от температуры.
7. Фазовые и структурные превращения металла покрытия происходят без выделения и поглощения тепла.
Тогда решение будет иметь вид [6]:
T (R, х, ¥ ) =-q--e
2p•l•R
V •х 2 а
V •R 2 a
(1)
где R - радиус-вектор от теплового источника, м,
R =
2 2 2 х 2 + 7 2 + г 2 ;
а - коэффициент температуропроводности,
м2/сек;
1 - коэффициент теплопроводности, Вт/м • град. При х = 0 и у = 0 радиус-вектор равен глубине основы зуба (Я = г).
Для определения теплового потока к покрытию, необходимого для его проплавления и обеспечивающего максимальную температуру Ттах, равную или большую температуры плавления материала покрытия, выражение (1) имеет вид:
q имп
4,25•V •р •с •г2 •T
I mm т
(2)
хф (р,
где V - скорость перемещения плазмотрона, м/с; рт - плотность материала покрытия, кг/м3; ст - удельная теплоемкость материала покрытия, Дж/(кг°С);
Ттах - максимальная температура покрытия в переходной зоне с основой, °С;
4 - коэффициент, учитывающий распределенность источника тепла [6]:
Х = 2-
\f z А2
Лr п 0
+1 —
гп - радиус расплавленной зоны, м;
ф(р, т) - коэффициент теплонасыщения зоны нагрева, учитывающий нестационарность процесса нагрева [6];
р - безразмерная глубина до рассматриваемой точки
Р =
V •г 2а
т - безразмерное время
V 2 •( т=--;
4а
1т - время запаздывания, по истечении которого после прохождения источником тепла сечения, в котором находится данная точка на заданной глубине 7, температура достигнет своего максимального значения Ттах [6]
1 = г 74а .
т /
Координата хт по оси 0х относительно источника тепла определяется зависимостью: х = V 1
лт * 1т .
В соответствии с данными работы [5] тепловыми потоками от струи плазмы и материала покрытия можно пренебречь и принять термический КПД выносной дуги равным 0,85, то есть принять, что
^имп 0,85 ^имп.
Последовательность и результаты расчета
1. На основе известных значений толщины покрытия к и толщины переходной зоны Дк, а также выбранной скорости движения плазмотрона V по формуле (2) определяется тепловой поток дшп, воспринимаемый основой, при котором обеспечивается проплавление покрытия до переходной зоны с основой.
г
г
r
r
п
п
2. Исходя из заданных значений предела пропорциональности спц материала покрытия, эксплуатационных нагрузок сэ, площади поверхности покрытия и выбранного значения площади единичной локальной зоны проплавления покрытия с основой ^св определяется количество таких зон п:
п >-
S
_к
7
а
а
3. Рассчитываются размеры единичной расплавленной переходной зоны покрытия с основой:
Ьсв = 2^Дк • [2• (к + Дк)-М ];
/ св = S св/ Ь св .
4. Рассчитываются границы выбора шага винтовой линии обработки в соответствии с неравенством:
2г < Н <
а„
а.
5. Определяется время импульса:
I = / /V .
6. Рассчитываются длительность периода и частота модуляции
I = к • I ; п = 1/1 .
м скв имп > м м
Результаты расчета теплового потока к нихро-мовому покрытию (Н80Х20), близкому по составу к самофлюсующемуся материалу ПГ-СР4, который обеспечивает проплавление покрытия на глубину до переходной зоны с основой, представлены на рис. 5, 6. Анализ кривых показывает, что с увеличением толщины покрытия в 10 раз (от 10-4 до 10-3 м) требуемый тепловой поток к покрытию повышается на 1-2 порядка (при скоростях V = 0,2.0,8 м/с). Увеличение скорости перемещения плазмотрона с 0,2 до 0,8 м/с приводит к увеличению требуемого теплового потока к покрытию на 1,5-2,5 порядка. Характер зависимостей, рассчитанных для никелевого покрытия, идентичен таковым, полученным в работе [5]. Количественно же результаты отличаются, что может быть обусловлено использованием в указанной работе моделирования случая, когда источник тепла неподвижен.
Известно, что образование прочного соединения расплава с твердой фазой возможно только в результате физического контакта и химического взаимодействия между ними. Это может быть обеспечено, если время контакта между фазами не меньше суммы времен ретардации межфазной поверхностной энергии (времени задержки диффузионных переходов) и развития процессов гетеродиффузии до образования перенасыщенных твердых растворов [5]. По данным работы [7] диффузионные процессы при кристаллизации металлов проходят три стадии при характерных постоянных времени 10-12-10-10, 10-8-10-5 и (0,5-1,5) 10-2 с, соответствующих периодам колебаний атомов и трансляционным перескокам групп атомов, периодам колебаний кластеров и перемещений слоев кластеров. Это позволяет предположить, что, по крайней мере, временное условие образования прочного соединения обеспечивается при временах им-
пульсов более 10 мс. Если достаточными являются первые две стадии кристаллизации, то это время должно быть более 10 мкс, что требует подтверждения в дополнительных исследованиях.
С^имп, Вт
2,5 3,0 V, м/с
-»-И = 0.0001 м; -о-И = 0.0004 м; = 0.0007 м; -°-И = 0.001м
Рис. 5. Зависимость теплового потока к покрытию 9имп при импульсе мощности выносной дуги, обеспечивающего проплавление покрытия до переходной зоны с основой, от скорости перемещения плазмотрона
С1 имп, Вт
100 000
10000
1 000
100
0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010
Л, м
-ь-\/ = 0,201 м/с; ^ V — 0.401 м/с; -о-у = 0,601 м/с; = 0.801 м/с
Рис. 6. Зависимость теплового потока к покрытию ?имп при импульсе мощности выносной дуги, обеспечивающего проплавление покрытия до переходной зоны с основой, от толщины покрытия
Рассмотрим результаты расчета для материала Н80Х20 и выбранных исходных данных: ст = 750 Дж/(кг- К); рт = 8400 кг/м3; а = 1,65 • 10-5 м2/с; сэ = 300 МПа; Спц = 6,5 ГПа; Ттах = Тпл = 1400 °С; к = 0,1-1 мм; Дк = (0,03...0,05)к; V = 0,001-0,8 м/с; = 0,0168 м2; £св = 1,3(10-8...10-6) м2; кскв = 4-6. Тепловой поток к покрытию, обеспечивающий проплавление покрытия до переходной зоны с основой, при таких данных может быть оценен по данным графиков на рис. 5, 6. Количество локальных зон проплавления находится в интервале от 3432390 штук для покрытия толщиной 0,0001 м = 1,3410-8 м2; Ьсв = 6,4-10-5 м; /св = 0,00021 м; Н = 0,35 мм) до 34324 штук для покрытия толщиной 0,001 м (£св = 1,34 •Ю-6 м2; Ьсв = 0,00064 м; /св = 0,0021 м; Н = 3,5 мм). Длительность импульсов составляет интервал от 75 мкс до 37,5 мс (частота модуляции ум = 10000 .20 Гц).
Заключение
Полученная математическая модель тепловых процессов в плазменном напылении покрытий с импульсной модуляцией выносной дуги плазмотрона позволяет рассчитывать её мощность, которая обеспечивает локальное проплавление покрытия до пере-
св
ходной зоны с основой. Зависимость мощности выносной дуги от толщины покрытия идентична таковой для случая неподвижного теплового источника. Возможные погрешности расчета могут быть устранены проведением уточняющих экспериментов.
Разработан алгоритм расчета параметров локальных зон проплавления покрытия, шага обработки, длительности импульсов мощности выносной дуги и частоты её модуляции. Алгоритм может быть использован в качестве технологического регламента упрочнения плазменных покрытий, обеспечивающего их стойкость к заданным эксплуатационным нагрузкам.
Литература
1.Кадырметов, А. М. Технологический ряд прогрессивных плазменных и газотермических процессов. Обзор [Текст] / А. М. Кадырметов // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте: межвуз. сб. науч. тр. -Воронеж: ВГЛТА, 2008. - С. 119-136.
2. Кадырметов, А. М. Технологические возможности и проблемные вопросы плазменного нанесения и упрочнения покрытий с модуляцией электрических параметров [Текст] / А. М. Кадырметов // Вестник Воронежского государ-
ственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - №8 . - С. 79 -82.
3.Кадырметов, А. М. Физическая модель механизмов динамизации процессов плазменного нанесения и упрочнения покрытий с помощью модуляции электрических параметров [Текст] / А. М. Кадырметов, Г. А. Сухочев, А. Ф. Мальцев, Д. А. Попов // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2013. - №10(28). - С. 19-26.
4.Сухочев, Г. А. Экспериментальные исследования параметров управляемости процесса воздушно-плазменного нанесения и упрочнения покрытий [Текст] / Г. А. Сухочев, А. М. Кадырметов // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2008. - №11(47) . - С. 53-56.
5.Пузряков, А. Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления: Учеб. пособие по курсу «Технология конструкций из металлокомпозитов» [Текст] / А. Ф. Пузряков. 2-е изд., перереб. и доп. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. - 360 с.
6. Рыкалин, Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке [Текст] / Н. Н. Рыкалин. - М: Машгиз, 1951. -296 с.
7.Морозов, В. П. Характерные закономерности перехода жидкого расплавленного металла в твёрдое состояние на фронте кристаллизации в рамках феноменологической модели [Электронный ресурс] / В. П. Морозов // Наука и образование. - 77-30569/282085. - http://technomag.edu.ru. -2011. - №12. - С. 1-14.
Воронежская государственная лесотехническая академия Воронежский государственный технический университет
STRENGTHENING OF PLASMA- SPRAYING COATS BY POWER IMPULSE MODULATION
OF PLASMATRON DIRECT ARC
A. M. Kadyrmetov, E. V. Smolentcev, A. F. Maltcev, G. A. Suhotchev
Plasma-spraying process with the use of indirect and direct arcs is taken up. The coat strengthening is realized by local weld penetration of the coat in equally spaced zones by power impulse modulation of the plasmotron direct arc. Theoretically estimated modes of strengthening, providing coat weld penetration till the transition zone of the coat base and satisfying the surface exploitation loads are presented
Key words: plasma-spraying, plasma coat-strengthening, direct arc, indirect arc, parameters modulation
