Автореферат (Методики оптимизации процесса лазерного нанесения износостойких покрытий на валы газотурбинных установок), страница 3

Для селективной оценки предложено 7критериальных вариантов приближения геометрических параметровполученных экспериментально валиков к критериям их величины. Обработкаэтих вариантов осуществлялась селективным методом. В частности, быласоздана функция, которая состоит из суммы частичных отклонений каждогогеометрического параметра от значения, выбранного как оптимальное.Функция определяет относительную погрешность каждого валика отконкретного значения размера, выбранного за критерий, а также общую сумму«ошибок». Чем меньше ошибка, тем выше позиция в списке лучших режимовнаплавки.Однако, не все параметры имеют одинаковую значимость при оценкекачества наплавки. В различных случаях наиболее важным может быть илиширина или перемешивание или какой-то другой параметр.

Для оценкизначимости параметров был введён коэффициент К. Оценка общейпогрешности с коэффициентом К выглядит следующим образом:(3)На основе относительной погрешности каждого валика получаетсялинейная функция с коэффициентами, которые устанавливаются взависимости от важности каждого параметра по своему критерию К вдиапазоне от 0 до 1. Чем меньше ошибка, тем лучше позиция в списке. Былорассмотрено 4 варианта значений значимости критериев и к каждому вариантусделан выбор значений из 8 валиков. Установлено, что максимальныйкритерий значимости может достигать значений от 0,25 до 0,3. В результатепроведённого экспериментально-селективного анализа были выбраны четырережима обработки, показанные в таблице 2, позволившие получать валики сразмерами наиболее близкими к выбранным критериям.9Таблица 2.Выбранные оптимальные режимы обработки№Скорость,м/с6,0мм/с6,0Расход порошка,г/мин7,0Диаметр пучка,мм2,02Мощность,КВт1500Вт25007,01,0320009,05,01,5425006,03,02,01режимаНа этих режимах были изготовлены образцы, которые в дальнейшемисследовали на механические свойства.

Для подтверждения и уточненияполученных режимов по экспериментально-селективной методике, а так жеописания зависимостей влияния отдельных параметров наплавки нагеометрическиеразмерываликовбылапроведенастатистическоматематической обработка экспериментальных результатов и сделанрегрессионный анализ. Степень влияния входных параметров на выходныеоценивалась нормализацией, то есть заменой размерных переменных xi набезразмерные значения ∆xi по следующей формуле:xi  ( xi  xi 0 ) /(3 / 2  t i ) ,(4)где ∆xi ‒ безразмерное значение переменной; xi ‒ исходное значениефизической переменной; xi0 = (xi min + xi max)/2 ‒ среднее значение физическойпеременной; ti ‒ шаг ее варьирования; xi min и xi max – минимальное имаксимальное значения физической переменной.Для расчёта были использованы статистическая программа MINITAB 7 ифункция SOLVER Excel 2007. Расчёты проводились по четырём вариантам: 1множественная линейная регрессия; 2- множественная нелинейная регрессия;3- простая линейная регрессия; 4- простая нелинейная полиномическаярегрессия.

По каждому из этих вариантов была получена система уравненийдля всех геометрических параметров валика в зависимости от режимовобработки.Для более точного выбора режимов обработки были проведены расчётыпростых линейной и полиномической регрессий, построенные по каждомугеометрическому параметру. По полученным уравнениям были построинызависимости геометрических параметров от всех параметров режимовобработки. Полученные зависимости позволяют определять оптимальныеобласти режимов обработки. За оптимальные принимаются точки, в которыхнаблюдается наименьший разброс отклонений. Обработка зависимостей далавозможность выбрать оптимальный режим. Данный режим совпадает с однимиз режимов, полученных статистическим методом.

Для полученияокончательного результата по выбору режима, необходимо провести10испытание механических свойств, полученных валиков на выбранныхрежимах, исследовать их микроструктуру и фазовый состав, что было сделанов следующей главе.Глава 5 посвящена исследованию механических свойств полученныхпокрытий, изучению микроструктуры и фазового состава, а также технологиинанесения покрытий на валы ГТУ. Кроме геометрических параметровнеобходимо знать свойства, достигаемые на оптимальных режимах обработки.одним из показателей качества покрытий является их твёрдость.

Былизамерены значения твёрдости для четырёх выбранных режимов ввертикальном и поперечном направлениях по сечению нанесённого слоя.Показано, что микротвёрдость снижается по высоте нанесённого материала иот середины слоя к краям. Средние значения твёрдости для различныхрежимов показаны в Таблице 3.Таблица 3.Сравнительные характеристики микротвёрдости и износа валика для разныхрежимовРежимыИзнос, м3/(Н*м)11,15*10-14Максимальная микротвёрдость,(HV 0.1)52222,06*10-1451131,93*10-1446442,52*10-14511Материал подложки4,29*10-14243Для оценки основной характеристики покрытия – величины износа былипроведены трибологические испытания методом измерительного скольженияна автоматизированной машине трения (трибометре) TRIBOMETER фирмыCSM Instruments с возвратно-поступательным движением по схеме стержень–пластина.

Для испытаний поверхность наплавленных валиков шлифовали.Средние значения износа показаны в Таблице 3. Как видно из Таблицы 3, навсех четырёх режимах износ в 2,1-3,7 раз меньше, чем у материала подложки ,а твёрдость в 2,0-2,14 раза превышают значения материала подложки. Этипоказатели говорят о том, что эффективность применения лазерного методананесения покрытий из Stellite 6 на поверхность стали AISI 4340 достаточновысока. Однако, видно, что между режимами наблюдается значительнаяразница. Например, износ, полученный на режиме 1 в 2,2 раза меньше, чем нарежиме 4.

Микротвёрдость на режиме 1 так же выше, чем на других режимах.Для определения причин разброса свойств в зависимости от режимовобработки были проведены исследования структуры наплавленных слоев егохимического и фазового составов. Микроструктура образцов, полученных11методом лазерной наплавки, исследовалась с помощью металлографическогоанализа. При анализе микроструктуры наплавленного кобальтового сплаваустановлено, что при всех режимах лазерной наплавки наблюдаетсядендритное строение, причем размеры и направление роста дендритовизменяются как от режима к режиму ( Рис. 4, а и б).абРис.

4. Микроструктура наплавленных валиков по режиму: а-1; б-4.Для количественной оценки дисперсности структуры валика определялидендритный параметр, то есть расстояние между дендритными ветвямивторого порядка, диаметр дендритных ветвей второго порядка, длинудендритов и их ширину.

Эти значения были вычислены для разных режимов ипо глубине наплавленного слоя. Установлено, что при всех режимах наплавкирост дендритного параметра наблюдается с увеличением глубины и составляетот 25 до 50 %. При использовании режима 1 формируется наиболее дисперснаяструктура с минимальным дендритным параметром равным 1,41.Фазовый состав различных зон наплавленного сплава определяли методомрентгендифракционного анализа.

Съемка проводилась в Co Кизлучении врежиме непрерывного сканирования со скоростью 0.01°/c в интервале углов2=30125. Период кристаллической решетки кобальтового твердого раствораопределялся по дифракционному максимуму (311) с погрешностью  0.0004 Å.Для определения доли карбидной фазы были определены отношениясуммарной интенсивности всех линий карбида к суммарной интенсивностивсех линий кобальтового твердого раствора. В покрытиях было установленоколичество фаз Cr7C3 от 15 до 16,5%.Сопоставление результатов испытания износостойкости и твёрдости сметаллографическими исследованиями показали, что существенное значение вувеличении износостойкости имеет формирование мелкодисперснойструктуры и текстуры наплавленного металла.

Так режим 1, который создаётсамую мелкую структуру с наименьшим дендритным параметром 1.41, имеетнаибольшие значения твёрдости и износостойкости. Твёрдость иизносостойкость покрытию придаёт наличие карбидной фазы Cr7C3. Сувеличением количества карбидных частиц Cr7C3 в покрытии повышаютсяизносостойкость и твёрдость. В зависимости от режима наплавки содержание12этой фазы в наплавленном материале изменяется. Показано, что из четырёхисследованных режимов наилучшие результаты даёт режим 1, сочетающийнаилучшие характеристики по геометрическим параметрам, с высокимимеханическими и трибологическими свойствами за счёт благоприятноймикроструктуры и фазового состава наплавленного металла.Выбранные режимы были использованы для разработки технологии иинструкций нанесения покрытий из сплава Stellite 6 лазерным порошковымметодом на валы ГТУ, изготовленных из стали AISI 4340.-ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ1.

Разработанкомплексметодик,позволяющийоптимизироватьтехнологические режимы нанесения порошковых износостойких покрытийиз материала Stellit 6 на валы энергоустановок лазерным методом.2. Путём оптимизации выбран метод коаксиальной подачи порошка дляпроцесса нанесения покрытий из материала Stellit 6 на поверхность валовэнергетического оборудования.3. Используя методику расчёта потоков газа и порошка через коаксиальноесопло, определены оптимальные размеры сопла, диаметр струи порошка,расстояние между срезом сопла и обрабатываемой поверхностью, чтопозволило оптимизировать технологические параметры процессаобработки.4. Расчётным путём определён оптимальный угол раскрытия сопла, которыйсоставил 65 градусов. Такое сопло позволяет регулировать диаметр пятна взоне наплавки в широких пределах и получать максимальную ширинунаплавляемого материала и, соответственно, высокую производительностьпроцесса.5.

Путем математического моделирования с применением регрессионногоанализа оптимизированы параметры газопорошковой струи. Показано, чтодля частиц размером 20 – 60 мкм оптимальный диапазон значенийдиаметра перетяжки газопорошкового потока составляет от 2 до 4 мм, аоптимальный диапазон допустимых значений зазора между срезом соплаи обрабатываемой поверхностью составляет от 13 до 20 мм.6. Разработана селективная методика оптимизации режимов обработки, покоторой выбрано 4 режима, обеспечивающих наилучшие геометрическиепараметры валика.7. Определены критериальные значения параметров геометрическихпараметров валиков, которые обеспечивают лучшие свойства.

Установлено,что максимальный критерий значимости может достигать значений от 0,25до 0,3. Показано, что расчётные и экспериментальные значения13коэффициента нанесённого слоя, находящегося в этом диапазоне,обеспечивают наилучшие геометрические характеристики валика ипроплавления.8. Расчётом по методикам простой линейной и полиномической регрессиипостроены зависимости от режимов обработки всех геометрическихпараметров валиков. Это позволило определить по данной методикеоптимальный режим обработки, который совпал с одним из режимов,полученных селективным методом.9. Экспериментально исследованы значения износостойкости и твёрдостиполученных покрытий. Установлено, что на всех оптимальных режимахизнос в 2,1-3,7 раз меньше, чем у материала подложки, а твёрдость в 2,02,14 раза превышают значения материала подложки. Это указывает навысокую эффективность применения лазерного метода нанесенияпокрытий из Stellite 6 на поверхность стали AISI 4340.10.

Установлена взаимосвязь структурного и фазового состава покрытия срежимами обработки,параметрами покрытияи получаемымимеханическими свойствами. Доказано, что наилучшая износостойкостьдостигается при содержании в покрытии фазы карбида Cr7C3 в количествеот 15,0 до 16,5% и создании мелкодисперсной структуры с расстояниеммежду осями дендритов второго порядка менее 1,8 мкм и ширинойдендритов менее 1,41 мкм.11. Разработана технология и составлены технологические инструкции полазерно-порошковому методу нанесения покрытий Stellite 6 на поверхностьвалов энергетического оборудования, изготовленных из стали AISI 4340.РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ1. Шиганов И.Н., Гонсалес Л.Ф., Третьяков Р.С.

Восстановление деталейэнергетическихустановоклазернойнаплавкой//Технологиямашиностроения. 2015. № 10, С. 27-31. (1,0 п. л. / 0,3 п. л.)2. Гонсалес Л.Ф., Шиганов И.Н. Оптимизация процесса нанесения стеллита насталь лазерным методом// Сварочное производство. 2017. №3. С. 35-41. (1,2п.

л. / 0,7 п. л.)3. Гонсалес Л.Ф., Шиганов И.Н., Базалеева К.О. Исследование структуры исвойств износостойких покрытий из стеллита, нанесённых на стальлазерным излучением// Сварочное производство. 2017. №10. С. 18-23. (0,9 п.л. / 0,4 п. л.)4. Гонсалес Л.Ф., Шиганов И.Н. Создание износостойких покрытий на валахгазовых турбин// Тезисы конференции «Фотоника 2016». Москва, 2016. С.10. (0,1 п. л.

/ 0,07 п. л.).14.