Автореферат (Методики оптимизации процесса лазерного нанесения износостойких покрытий на валы газотурбинных установок), страница 2

Подобныезадачи не могут быть решены без использования методов многофакторнойоптимизации. Необходимо найти варианты, наиболее удовлетворяющиемногим противоречивым требованиям, поскольку улучшение однихпараметров часто приводит к ухудшению других. Задача проектированияпокрытия сводится к нахождению оптимального в данном случае, наиболеепредпочтительного варианта.Другой важной задачей является выбор метода нанесения покрытий.Рассмотрены основные, применяемые в настоящее время методы.

Так как валыне должны деформироваться в процессе тепловой обработки, необходимоприменять методы, обеспечивающие минимальное тепловлажение. Кроме того,как правило, эти валы делают из высококачественных сталей, поэтому впроцессе наплавки должно быть минимальное перемешивание наплавленногометалла с материалом основы, так как это может привести к образованиюдефектов структуры материала вала, что снижает его механическиехарактеристики.

Из всех рассмотренных процессов этим требования в большейстепени отвечают лазерные технологии нанесения покрытий. Однако этотметод имеет ряд особенностей его применения, как с точки зренияоборудования, так и с точки зрения режимов обработки. Для получениятребуемого качества необходимо увязывать большое количество условий ипараметров.

В рассмотренной литературене обнаружено комплексныхметодик оптимизации параметров режимов, особенностей оборудования иматериалов для восстановления деталей валов ГТУ. В связи с этим в даннойработе была поставлена актуальная задача разработки и создания комплексной4методики оптимизации процесса нанесения износостойких покрытий на валыГТУ лазерным методом.На основании проведённого литературного обзора были сформулированызадачи исследования.Во второй главе приведено описание методик исследования,использованного оборудования и материалов. Из многообразия материалов,применяемых для нанесения покрытий, были выбраны сплавы Stellite наоснове кобальта. Это наиболее известные и широко применяемые сплавы ссамыми «универсальными» свойствами.

Износостойкие кобальтовые сплавыотносятся к системе Co-Cr-W, причем содержание Cr в сплавах этой группыявляется наибольшим по сравнению с другими, так как он имеет ключевоезначение в образовании карбидов с различным соотношением Cr/C. СплавыStellite имеют превосходную сопротивляемость кавитации, коррозии, эрозии,абразивному износу и истиранию. Конкретно в работе использован порошокдисперсностью 70-90 мкм из сплава Stellite 6 (российский аналог ПРК60Х30ВС или В3К), который сочетает в себе все вышеперечисленныесвойства.В качестве подложки использована конструкционная низколегированнаясталь со средним содержанием углерода AISI 4340 ( аналог этой стали в Россиисталь 40ХН2МА), которая наиболее часто применяется для изготовления валовГТУ.Экспериментальныетехнологическиеработыпроводилисьнароботизированной лазерной установке.

В состав установки входилволоконный лазер ЛС-4-К, промышленный робот АВВ IRB 2400, оптическаяголовка PrecitecYW50 и питатель для подачи порошка. Скорость движениячастиц в процессе лазерной инжекции измеряли высокоскоростной камеройFastvideo-500M.Металлографические исследования проводили по стандартным методикамс применением микроскопа Olympus GX51, рентгеновского микроскопа.Обработку микроструктур проводили автоматически с применениемпрограммы ImageScope.Для измерения микротвёрдости применяли твердомер Ecos Workflow.Испытания на коэффициент трения и износ поверхности осуществляли постандартной методике с использованием установки Tribometer фирмы CSM(Швейцария) и профилометра HOMMEL-ETAMIC T8000.Для математического моделирования и обработки использовалистандартный программный продукт MATLAB 7.11, программу Microsoft OfficeExcel 2007, методы линейной и полиномической регрессии .Третья глава посвящена методикам оптимизации формы и геометриисопла для подачи порошка при лазерном нанесении покрытий.

Показано, чтонаиболее универсальный метод подачи порошковых материалов в зону5лазерного воздействия – это коаксиальная (соосная) подача порошка в видесфокусированного конуса на поверхности сварочной ванны. В этом случае, какправило, порошок подается через полость между двумя или тремяконическими поверхностями оснастки. Такая конструкция имеет чрезвычайностабильные характеристики газопорошкового потока и позволяет с высокимкоэффициентом использования порошкового материала наносить покрытия влюбом пространственном положении.

Оснастка позволяет получать покрытияс высокой плотностью, стабильной толщиной и является осесиметричной, тоесть нечувствительной к направлению движения при нанесении покрытия.Для обеспечения эффективности процесса нанесения, а именно доставкичастиц в соответствующее место поверхности и увеличение коэффициентаиспользования порошкового материала параметры газового потока и порошкабыли оптимизированы. Оптимизация осуществлялась с применением физико–математических моделей, построением численных алгоритмов решениянестационарных задач механики сплошных сред и их экспериментальнойпроверкой.

Для решения подобных задач проводится моделирование теченияпотока газа через сопло в открытую среду. Поскольку процессы подачипорошка и подачи газа являются стабильными, в расчете принимают, чтопоток является ламинарным, установившимся, сжимаемым, однородный посоставу и распространяется внутри сопла.Моделирование многофазных потоков производилось в несколько этапов.

Напервом этапе рассчитывали движения газовой среды, на втором этапепроизводится расчет движения частиц в газовой среде, а третий этап являетсяпроверочным для выполнения законов сохранения и неразрывности среды.Струйное течение газа определяли численным решением уравнений Навье–Стокса методом конечных элементов по неявной схеме с помощью программыFluent (ANSYS Inc.).

Полученная картина движения потока показана на Рис. 1.Рис. 1. Расчётное поле скорости и линии тока газа6Для расчета движения частиц применена модель на основе потокагазопорошковой взвеси. Для осесимметричного, устойчивого, турбулентногосплошного потока газопорошковой струи с однородным химическим составоми при отсутствии внешних сил, использовано следующие выражение:,(1)где x и r – соответственно осевые и радиальные координаты; ux – осеваяскорость; ur – радиальная скорость; ρ – плотность сплошного газа.Расчет сопла проводится численным методом с использованиемвычислительной машины, оптимизированной для обработки групп элементовразбиения. Транспортирующим газом является аргон.

Граничные условия длясжимаемого потока были следующие: входной расход газа, выходное давлениев дальней зоне. Значение входного расхода являлось варьируемым параметром,выходное давление является следствием неразрывности газопорошковогопотока.

Траектория движения частиц рассчитывалась интегрированиембаланса сил, действующих на частицу, который состоит из силысопротивления, силы тяжести и градиента давления и определяется поформуле:(2)Используя данную модель можно изменять параметры перетяжки,расстояние от поверхности, моделировать площадь нанесённого порошковогоматериала. Все эти параметры регулируются в зависимости от материалапорошка, его размеров, расхода. На основании расчётных моделей былиоптимизированы размеры выходного сопла для нанесения покрытий. Расчетпроводится по методу конечных элементов, когда протяженное трехмерноетело разбивается на элементы в форме тетраэдера. На Рис. 2 расчётная модельпорошкового потока показана.Рис.

2. Расчётная модель порошкового потока7Путем численного расчета и математического моделирования процессаистечения газопорошкового потока из сопла спроектировано сопло,показанное на Рис. 3, с двумя конусами внешним и внутренним.Рис. 3. Конструкция сопла для нанесения порошковых покрытийОптимальный угол раскрытия конуса составляет 65 градусов, этообеспечивает диаметр перетяжки потока от 1 до 5 мм на расстоянии от среза неменее 10 мм, что даёт возможность получать максимальную ширинунаплавляемого материала, и высокую производительность процесса.Используя метод регрессионного анализа проведено математическоемоделирование работоспособности конструкции созданного сопла в процессенанесения покрытий в условиях реально действующих факторов и определеновлияние параметров на газопорошковый поток.

В частности расчётным путёмопределяли :диаметр перетяжки газопорошкового потока, зазор между срезомсопла и центром перетяжки газопорошкового потока и скорость частиц в зонелазерного воздействия при различных параметрах струи и частиц.Глава 4 посвящена разработке методик оптимизации режимов нанесенияизносостойких покрытий лазерным методом и определению этих режимов дляпокрытий из сплава Stellite 6 на сталь AISI 4340. В качестве основныхпараметров, определяющие качество наплавленного слоя, были принятымощность лазерного излучения (P), скорость обработки (V), расход порошка(F) и диаметр пятна сфокусированного луча (D).

Параметры, которые былиопределены для оптимизации размеров валика следующие:ширина валика (L),высота валика (H), глубина проплавления подложки (h), величина зонытермического влияния (ЗТВ), угол смачивания валика (α), площадь сеченияпокрытия (Ac) и площадь сечения проплавленной части подложки (Am). Кромеэтого, учитывались расчётные параметры, такие как коэффициентперемешивания "γ" и коэффициент формы валика, равный отношению высотык его ширине H/L.

Для экспериментальной части была использована факторнаямодель 24 с одним повторением и трех центральных точек, что составило 38наплавленных валиков на 19 различных режимах. Все покрытия не имелидефектов в виде трещин, пор и отслоений.8Для обработки полученных значений обмеров всех валиков былразработанселективный метод. Целью селективной обработки былоопределение размерных критериев, к которым необходимо стремиться приоптимизации режимов наплавки. Величина этих критериев указана в Таблице1.Таблица 1.Величина размерных критериев валиковL (мм)4,51H (мм)0,51h (мм)0,03ЗТВ (мм)0,34α (град)24,80Ac (мм2)6,7Am (мм2)0,03Γ0,104Н/L0,205Путём селективного отбора с помощью специальной программы MicrosoftOffice Excel 2007 из всех 38 валиков были выбраны значения, близкие куказанным размерным критериям.