Пояснительная записка (1220304), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Долговечность напыленных покрытий в значительной степени зависит от их когезионной прочности. При увеличении когезионной прочности напыленных покрытий возрастает количество циклов до появления трещин в покрытии. В интервале к = 70-130 МПа между количеством циклов и когезионной прочностью существует прямо пропорциональная зависимость
Nц = - 1,15 + 0,11σк. (3.6)
где Nц - количеством циклов до появления трещин на поверхности трения в 106: при нагрузке 50 МПа для сплава АО6 и для смеси порошков АО6 + (12 - 14 %)Sn и 40 МПа - для сплава АО20.
Увеличение когезионной прочности свыше 130 МПа практически не оказывает влияния на повышение усталостной долговечности покрытия вследствие существенного возрастания величины остаточных напряжений.
Твердость напыленного покрытия в зависимости от применяемого оборудования и параметров режима изменяется в следующих пределах: при использовании порошка АО6 - 30 - 60 HV, АО6 + (12 - 14 %)Sn - 25 - 47 HV.
Наибольшая твердость покрытия при напылении порошком АО6 (52 - 60HV) получается в случае использования плазмотрона марки ПНВ-1 из-за увеличения содержания окислов алюминия и выгорания олова из-за подсоса воздуха вследствие высокой турбулизации плазменной струи по сравнению с плазмотроном С2В3 (твердость 30 - 42 HV), характеризующимся близким к ламинарному истечению плазменной струи.
Известно, что основными технологическими параметрами при плазменном напылении являются: дистанция напыления, расход и давление плазмообразующего газа, угол наклона плазмотрона, сила тока и напряжение. Эти параметры существенно влияют на свойства покрытия и позволяют эффективно управлять и контролировать их величину непосредственно в процессе нанесения покрытия или устанавливать перед началом напыления.
На основании регрессионного анализа (7, 8), наиболее существенное влияние на когезионную прочность напыленных покрытий оказывают: напряжение на дуге U при постоянной мощности плазмотрона и угол наклона плазменной струи к напыляемой поверхности. Проведенные исследования позволили оценить влияние напряжения на дуге и угла наклона плазмотрона на когезионную прочность. Анализ влиянии факторов проводился отдельно для каждого сплава АО6 и АО6 + (12 - 14 %)Sn, так как ранее было установлено различие в величине их когезионной прочности. Получены математические модели когезионной прочности:
σк АО6 = -115,64 + 0,81U + 0,62β. (3.7)
σ АО6+(12-14%)Sn = - 125,76 + 0,81U + 0,69β. (3.8)
где σк - когезионная прочность; U - напряжение на дуге; β - угол наклона плазменной струи.
С повышением напряжения на дуге U когезионная прочность σк покрытия увеличивается. Для плазмотрона С2В3 с источником питания АПР - 404, наиболее оптимальным следует считать напряжение на дуге 200 - 220 В.
При напылении вкладышей малых диаметров (менее 280 мм) для обеспечения оптимальной дистанции напыления приходится наклонять плазмотрон по отношению к напыляемой поверхности. Однако с уменьшением угла наклона струи когезионная прочность резко уменьшается, поэтому данный параметр следует ограничивать. Результаты испытаний показали, что для обеспечения приемлемых прочностных и триботехнических свойств при напылении вкладышей подшипников порошком АО6 и АО6 + (12 - 14 %)Sn углом наклона струи можно варьировать в пределах 50 - 90°. Применение углов наклона плазменной струи менее 50° не допускается, т.к. приводит к уменьшению когезионной прочности покрытия ниже допустимого предела.
При напылении сплава АО6 и АО6 + (12 - 14%)Sn, с использованием воздуха, как плазмообразующего газа, получается мелкодисперсная структура; мягкие и твердые включения распределены равномерно; окислы расположены по границам зерен, крупных отдельно расположенных частиц окислов нет; пор и микротрещин нет; микротвердость слоя 40 - 75 МПа. Мягкие включения уменьшают износ и увеличивают сопротивляемость задиру трущейся пары.
Для обоснованного управления технологическими параметрами процесса плазменного напыления сплавов на алюминиевой основе и обеспечения заданной долговечности (износостойкости и долговечности) необходимо подставить в формулы (3.4) и (3.5) соответственно зависимости когезионной прочности (формулы 3.7 и 3.8) и в зависимость усталостной долговечности (3.6) - зависимости когезионной прочности. В результате этого получаем зависимости, связывающие технологические параметры с эксплуатационными:
ИАО20 = 0,096 – 0,0003U – 0,00025β + 0,525 kтр + 0,0001Dч. (3.9)
ИАО6 = 0,121 - 0,00036U - 0,00028β + 0,273 kтр + 0,00015Dч + 0,00013α (3.10)
Nц АО6 = – 13,87 + 0,089U + 0,068β. (3.11)
Nц АО6 + (12–14 %)Sn = – 14,98 + 0,089U + 0,076β. (3.12)
Анализ зависимостей (9–12) и технологических возможностей плазменного напыления позволяет установить оптимальную область параметров плазменного напыления вкладышей сплавами на алюминиевой основе.
5.ПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ.
Плазменное напыление - процесс нанесения покрытия на поверхность изделия с помощью плазменной струи.
Сущность плазменного напыления заключается в том, что в высокотемпературную плазменную струю подаётся распыляемый материал, который нагревается, плавится и в виде двухфазного потока направляется на подложку. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с поверхностью основы или напыляемым материалом и формирование покрытия. Плазменное напыление является одним из вариантов газотермического напыления.
Дуга свободна, если её развитие в пространстве не ограничено. Сжатая дуга помещается в узких каналах и обдувается струями газов или паров. Особенно мощные плазменные потоки у сжатой дуги. Сжатые дуги являются основой дугового плазмотрона - устройства для получения «низкотемпературной» плазмы. Физические исследования по созданию плазмотронов начались в начале ХХ века, а наиболее широкое исследование в конце 50-х, начале 60-х годов. В 1922 году Жердьен и Лотц получили сжатую дугу, стабилизированную водяным вихрем. В 1951 году в дуговом разряде, стабилизированном водяным вихрем, Бурхорну, Меккеру и Петерсу удалось получить температуру 50000°С, а в 1954 году на установке для получения сжатой дуги при высоком давлении паров воды Петерс получил сверхзвуковую скорость истечения плазменной струи - 6500м/с при температуре 8000К (1,6 М).
В середине пятидесятых фирма Джианини публикует работы по устройству газового плазмотрона с кольцевым анодом.
В конце 50-х были созданы первые дуговые плазмотроны, а в начале 60-х годов - плазменные распылители. Из-за своей универсальности (температура плазменной струи обеспечивала плавление любых материалов) плазменные распылители заняли значительное место в ГТН, потеснив газопламенные методы.
Плазменная обработка позволила упрочнять поверхность конструкционных материалов. Плазменное напыление - создавать новые композиционные материалы и покрытия, которые не могут быть получены другими методами. Особенно широко плазменное напыление используется для нанесения порошков оксидов различных металлов.
5.1 Методы плазменного напыления:
- Атмосферное плазменное напыление запатентован Giannini and Ducati в 1960 г., Gage в 1962 г. Базируется на применении Плазменного генератора Гердиена, изобретенного в 1922 г.
- Вакуумное плазменное напыление. Приоритет изобретение отдают сотруднику фирмы Plasmadyne Мюльбергеру, в 1973 г.
- Плазменное напыление в контролируемой атмосфере Mash, Stetson и Hauck в 1961 г. первыми сообщили о напылении плазмой в камере, заполненной инертным газом. Эту технику назвали Inert Plasma Spraying (IPS). Другой способ, позволяющий изолировать плазменную струю от окружающей атмосферы, был изобретен Okada и Maruo в 1968 г. и назывался Shrouded Plasma Spraying (SPS). В этом способе защитный газ подавался из сопла, присоединенного к аноду плазмотрона, близко к подложке, что позволяло удалять плазмообразующий газ.
Стадии плазменного напыления:
Плазменный процесс состоит из трех основных стадий:
а) генерация плазменной струи;
б) ввод распыляемого материала в плазменную струю, его нагрев и ускорение;
в) взаимодействие плазменной струи и расплавленных частиц с основанием.
Возможности плазменного напыления:
При плазменном способе нанесения покрытий напыляемый материал разогревается до жидкого состояния и переносится на обрабатываемую поверхность при помощи потока плазмы с высокой температурой. Напыляемый материал выпускается в виде прутков, порошков или проволоки. Порошковый способ наиболее распространенный.Уникальность метода плазменного напыления заключается в высокой температуре (до 50 тыс. градусов по Цельсию) плазменной струи и высокой скорости (до 500 м/с) движения частиц в струе. Нагрев же напыляемой поверхности невелик и составляет не более 200 град. Производительность плазменного напыления составляет 3-20 кг/ч для плазматронных установок мощностью 30-40 кВт и 50-80 кг/ч для оборудования мощностью 150-200 кВт.
Прочность сцепления покрытия с поверхностью детали в среднем равна 10-55 МПа на отрыв, а некоторых случаях - до 120 МПа. Пористость покрытия находится в пределах 10-15%. Толщина покрытия обычно не более 1 мм, так как при ее увеличении в напыляемом слое возникают напряжения, стремящиеся отделить его от поверхности детали. Плазменно-дуговое напыление в сочетании с одновременной обработкой поверхности вращающейся металлической щеткой позволяет уменьшить пористость покрытия до 1-4%, а общую толщину напыления увеличить до 20 мм. Плазмообразующими газами служат азот, гелий, аргон, водород, их смеси и смесь воздуха с метаном, пропаном или бутаном. Для плазменного напыления используют проволоку, в том числе порошкового типа, порошки из черных и цветных металлов, никеля, молибдена, хрома, меди, оксиды металлов, карбиды металлов и их композиции с никелем и кобальтом, сплавы металлов, композиционные материалы (никель-графит, никель-алюминий и др.) и механические смеси металлов, сплавов и карбидов. Регулирование режима напыления позволяет наносить как тугоплавкие материалы, так и легкоплавкие. Основой для плазменного напыления могут служить металлы и неметаллы (пластмасса, кирпич, бетон, графит и др.). Для нанесения покрытий на небольшие поверхности применяется микроплазменный способ напыления, который позволяет сэкономить потери напыляемого материала (ширина напыления 1-3 мм).
5.2 Физико-химические основы формирования плазменных порошковых покрытий.
При плазменном напылении покрытий с помощью плазмотрона создается высокоскоростной плазменный поток, например из инертного газа, имеющий скорость 2000 м /с, а температуру ≈ 104 К и более. Частицы напыляемого материала, попадая в такой поток плазмы, быстро расплавляются, ускоряются и с большой скоростью, достигающей примерно 200-250 м/с, оседают на подложку в виде тонко измельченных частиц, образуя плотное, механически прочное покрытие. Однако следует иметь в виду, что по ряду причин (например, из-за неравномерного распределения температуры плазменного факела, различного размера напыляемых частиц и т.д.) покрытие формируется из следующих частиц:
- полностью расплавленных;
- оплавленных только по внешней поверхности и имеющих твердую сердцевину;
- твердых и жидких;
- полностью расплавленных, твердых и оплавленных только по поверхности.
При формировании покрытия частицы соударяются с подложкой,
деформируются и сцепляются с неровностями поверхности и между собой,
а затем быстро затвердевают. При напылении покрытий протекает
широкий комплекс физико-химических и металлургических процессов.
Частицы, разогретые до жидкопластичного состояния, при соударении с
подложкой быстро растекаются и образуют тонкий слой. Если в процессе
взаимодействия на подложке имеются выступы, углубления, трещины и
т.д., то расплавленный материал заполняет эти углубления, на выступах
возможно рассекание образующихся слоев и т.д. Поэтому покрытие имеетслоистую чешуйчатую форму (рис.5.1).
Рисунок 5.1 Типовая структура покрытия:
1- подложка, 2 - покрытие, 3 - границы между слоями, 4 - границы между частицами,
5 - границы между покрытием и подложкой, 6 - межфазные границы,
7 - межзеренные границы
Схематически процесс плазменного напыления и основные функциональные узлы установки приведены на рис. 5.2 В электродуговом
генераторе низкотемпературной плазмы (плазмотроне) происходит нагрев,
диссоциация и ионизация плазмообразующего газа в результате его
взаимодействия с электрической дугой. Напыляемый материал подается в
высокотемпературную струю через отверстие в сопле анода или в область
за анодом и, ускоряясь вместе с потоком плазмообразующего газа, наносится на поверхность обрабатываемой детали.
Установка работает от первичной системы электропитания переменного тока и содержит источник постоянного тока, систему охлаждения и теплонагруженных элементов конструкции плазмотрона, источника питания газового разряда, оснастки и других элементов. Система охлаждения может быть как разомкнутой (охлаждающая вода поступает на внешний слив), так и замкнутой с теплообменником.
Плазмообразующий и транспортирующий газ поступает от специального
источника высокого давления через распределитель в плазмотрон,
порошковый питатель и в камеру. Высокоскоростной двухфазный поток,
состоящий из смеси плазмообразующего газа и порошка, при воздействии
на обрабатываемую деталь образует покрытие. Деталь перемещается с помощью соответствующей электромеханической системы.
Рисунок 5.2 Схема процесса плазменного напыления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
