Повышение износостойкости наплавленных покрытий путём выбора рациональных технологических параметров на основе диагностики сверхзвуковых газопорошковых струй

Высокие механические и тепловые нагрузки, воздействие различных агрессивных сред на детали, сопровождающие работу различного технологического оборудования, вызывают износ и повышенный риск возникновения аварий и техногенных катастроф в машиностроении и энергетике. Важнейший показатель надежности и долговечности оборудования — состояние поверхностного слоя его деталей, так как разрушение конструкционного материала начинается с его поверхности. Образование различных дефектов на поверхности изделия вследствие абразивного износа, воздействия активных сред и т. д. приводит к потере необходимых качественных характеристик деталей оборудования.

Проблема износа рабочих поверхностей обуславливает необходимость широкого применения различных способов упрочнения поверхностей в машиностроении при ремонте и восстановлении деталей механизмов и машин.

Использование различных методов поверхностного упрочнения деталей практически всегда экономически выгодно, поскольку позволяет повысить их ресурс, производить детали из более дешевых материалов, при этом дорогостоящие материалы, обеспечивающие требуемые эксплуатационные характеристики, наносятся на поверхности деталей в виде тонкого защитного покрытия.

Использование методов поверхностного упрочнения конструкционных материалов позволяет решить многие важнейшие технические задачи, но при этом в каждом конкретном случае требуется детальный подход при выборе способа упрочнения или нанесения защитных покрытий.

При ремонте иупрочнении рабочих поверхностей деталей различного технологического оборудования наиболее приемлемыми, и экономически выгодными являются газотермические способы нанесения защитных покрытий, так как они наиболее универсальны и эффективны.

При правильном выборе конкретного способа газотермического нанесения покрытий защитные покрытия обладают высокими качественными показателями физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик, которые требуются от изделия в каждом конкретном случае: прочность сцепления покрытия с защищаемой поверхностью, плотность и однородность фазового и химического состава слоя, износостойкость и др.

Для эффективной защиты деталей различного технологического оборудования необходимо нанесение износостойкого защитного покрытия, надежно изолирующего и защищающего основной металл деталей, а также обладающего высокой прочностью сцепления с основой. Из всего многообразия материалов для защитных покрытий требуемыми свойствами (износостойкость, коррозионная стойкость, пластичность, жаропрочность и др.) обладают промышленно выпускаемые в России самофлюсующиеся порошковые сплавы системы №-Сг-В-81, наносимые при помощи способов газопламенного напыления и наплавки, а также некоторые композиционные материалы. При этом качество и прочность сцепления покрытия с основой, которая является одним из главных факторов, характеризующих надежность защитного покрытия, напрямую зависит от выбранного способа нанесения покрытия и от его параметров, контроль и диагностика которых — важнейшая часть отработки технологических режимов нанесения защитных покрытий.

Последние 10.12 лет для увеличения срока службы и восстановления рабочих поверхностей различных деталей и механизмов всё активнее начинают развиваться процессы нанесения защитных покрытий сверхзвуковыми газовыми струями [1, 2]. Это относится преимущественно к процессам напыления. Однако, как известно, все процессы напыления без исключения имеют один существенный недостаток, ограничивающий их промышленное использование — вероятность отслоения покрытий ввиду относительно низкой прочности сцепления с основой.

Кардинальное решение этой проблемы возможно путем исключения параметра «прочность сцепления» посредством разработки аппаратуры и технологии сверхзвуковойгазопорошковой наплавки (СГП-наплавки).

Для достижения поставленной цели в ООО «НИИ Высоких Технологий» (г. Барнаул) в рамках Федеральной программы «СТАРТ» был выполнен комплекс исследований, включающий расчеты сопел Лаваля с различными числами Маха, их изготовление и экспериментальную апробацию в процессе наплавки износостойких порошковых сплавов на изношенные поверхности деталей [3]. В результате была разработана и запатентована аппаратура для СГП-наплавки [4, 5]. Отличительной технологической чертой аппаратуры является повышение концентрации энергии газопламенного источника нагрева и уменьшение зоны термического влияния за счет увеличения скорости истечения газовых потоков на срезе сопла газопламенной установки.

Однако в настоящее время остается неизученным характер изменения состава и температуры сверхзвукового газового пламени в ходе химической реакции горения, что является важнейшим этапом отработки технологических режимов сверхзвуковой газопорошковой наплавки.

Поэтому чрезвычайно большое значение для повышения качества защитных покрытий, наносимых новым способом — сверхзвуковой газопорошковой наплавкой, имеет диагностика основных температурных и скоростных параметров сверхзвуковой газопламенной струи.

За результаты проведенных исследований были получены диплом за доклад на Всероссийской конференции по приоритетному направлению программы «Энергетика и энергосбережение» (Приложение А), и диплом за первое место в секции «Энергетика и энергосберегающие технологии» за доклад по теме «Пути решения проблемы снижения стоимости энергоресурсов для потребителей Барнаула» на IX городской научно-практической конференции молодых ученых «Молодежь-Барнаулу» (Приложение Б): Также автору данной работы присуждена именная стипендия главы города Барнаула (Приложение В), что подтверждает актуальность диссертационной работы.

Цель работы. Повышение износостойкости наплавленных покрытий, выполненных способом сверхзвуковой газопорошковой наплавки путём выбора рациональных технологических параметров на основе диагностики сверхзвуковых газопорошковых струй.

Для достижения сформулированной цели работы решались следующие научные и прикладные задачи:

1. Выявить основные критерии качества и технологические параметры сверхзвуковой газопорошковой струи, наиболее сильно влияющие на износостойкость наплавляемых покрытий.

2. Провести анализ и обоснованный выбор методов исследования основных параметров сверхзвуковых газопорошковых струй.

3. Разработать комплексную методику диагностики параметров сверхзвуковой газопорошковой струи.

4. Установить зависимость структуры и износостойкости защитных покрытий от основных диагностируемых параметров сверхзвукового газопорошкового потока и определить рациональные режимы процесса наплавки.

Методы исследований. Для исследования сверхзвуковых газопорошковых струй и наплавленных ими покрытий в работе были применены стандартные и оригинальные методы. Параметры сверхзвуковой газопламенной струи исследовались методами ротаметрии, оптической пирометрии, эмиссионной оптической спектроскопии и неинтегральным методом измерения скорости пролета частиц при помощи высокоскоростной фотосъемки.

Для изучения спектрального состава сверхзвуковой газовой струи использовались призменный полихроматор ИСП-51 и микропроцессорный регистратор спектра на базе фотодиодного приемника ФУК1Л2. Для калибровки полихроматора по длинам волн использовалась ртутно-кадмиевая лампа СМРК-2. Получение и обработка данных проводились с использованием компьютерной техники с помощью специального программного обеспечениясреды проектирования виртуальных приборов LabVIEW 7.1 и программы обработки данных Origin 8.0. Этот выбор обоснован тем, что среда виртуальных приборов Lab VIEW 7.1 представляет из себя продукт с широкими возможностями управления различными электронными устройствами и микроконтроллерными приборами, а программный продукт Origin 8.0 имеет широкие возможности обработки данных, удобный русифицированный интерфейс, и позволяет производить математическую обработку данных и построение двумерных графиков зависимостей. Графики зависимостей интенсивности излучения спектров сверхзвуковой газопорошковой струи от длины волны строились в относительных единицах (отн. ед.) спектральной чувствительности фото диодного приемника ФУК1Л2 по 8−10 измерениям. Для идентификации линий спектра ядра и факела сверхзвукового пламени использовались известные фотографии спектров горения пропана, а также спектры излучения атомов и молекул, описанные в литературе.

При проведении экспериментальных исследований треков пролета порошковых частиц в процессе сверхзвуковой газопорошковой наплавки использовалась фотокамера ВИДЕОСКАН-285−2001 со светочувствительной монохроматической матрицей SONY ICX285AL и объективом Гелиус-44. Данная модель фотокамеры обеспечивает получение черно-белых фотографий высокого разрешения и длительностью экспозиции, позволяющей регистрацию участков треков пролета порошка в струе. Использовались следующие параметры высокоскоростной фотосъемки: разрешение 1388×1038 пикселей, время накопления 160 мкс. Для выделения узкой области спектра использовались световые фильтры и поглотители. Полученные экспериментальные данные обрабатывались при помощи компьютерной техники, далее производилась математическая обработка результатов измерений.

Наплавленные покрытия исследовались методами световой микроскопии, рентгеноструктурного анализа, дюрометрии и методом испытания на абразивное изнашивание при трении о закрепленные абразивные частицы (ГОСТ 17 367−71). Наплавка производилась с помощью устройства для сверхзвуковой газопорошковой наплавки, разработанного и запатентованного авторским коллективом ООО «НИИ Высоких Технологий» на промышленных образцах технологического оборудования.

Все расчеты и обработка экспериментальных данных проводилась с использованием компьютерной техники. Получение достоверных результатов достигалось использованием современного технологического оборудования, серийных и опытных приборов, компьютерной техники, стандартных методов экспериментальных и теоретических исследований, а также необходимым количеством повторений опытов.

Научная новизна.

1. Выявлены основные технологические параметры процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки порошковых сплавов системы 1П-Сг-В-81 фракцией 40. 100 мкм (общий расход С), соотношение рабочих газов (3 и рабочее расстояние Ь) и критерии качества газопорошковых струй (длина факела пламени 1, температура пламени Т, плотность газопорошкового потока р), в наибольшей степени влияющие на структурные характеристики и износостойкость наплавляемых покрытий.

2. Определены закономерности распределения интенсивности излучения молекул С2 (полос Свана) и атомов углерода С в зависимости от режимов сверхзвукового горения газовой смеси и газопорошковой наплавки по длине пламени. Установлена зависимость интенсивности излучения от расхода <3 и соотношения р рабочих газов (кислород/пропан) и рабочего расстояния от среза сопла до наплавляемого изделия. На основании этого определен рациональный диапазон значений рабочих расстояний Ь=20.30 мм от среза сопла и соотношений рабочих газов 0=1,1. 1,3 для формирования качественных защитных покрытий.

3. Установлено, что покрытия, наплавленные порошковыми сплавами системы №-Сг-В-81 на рекомендованных диагностированных технологических режимах характеризуются мелкой карбидонасыщенной структурой на основе у-фазы, отвечающей требованиям износостойкости, в отличие от дендритной структуры покрытий, наплавленных на нерациональных режимах.

Практическая значимость.

1. Разработан комплексный алгоритм диагностики сверхзвуковых газопорошковых струй, позволяющий выявить рациональные технологические режимы процесса износостойкой наплавки.

2. Выявлены рациональные технологические режимы СГП-наплавки, позволяющие наносить защитные покрытия на основе порошковых сплавов системы Ni-Cr-B-Si фракцией 40. 100 мкм на быстроизнашиваемых деталях кавитационного оборудования.

3. Полученные результаты работы апробированы в процессе газопорошковой наплавки износостойких покрытий на изнашиваемые поверхности лопастей крыльчатки кавитационного насоса-измельчителя и переданы для внедрения в ООО «Энерготех» (г. Барнаул). Расчетный экономический эффект от внедрения разработанной технологии на одной крыльчатке составляет 16 тыс. рублей на один насос в год.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на региональных, всероссийских и международных конференциях:

3-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь». — г. Барнаул, 2006, 2009 г.- Всероссийской конференции по приоритетному направлению программы «Энергетика и энегосбережение». — г. Томск, 2006 г.- The Thirteenth International Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduetes and Young Scientists «Modern Techniques and Technologies». — Tomsk, 2007; IX Городской научно-практической конференции молодых ученых «Молодежь-Барнаулу». — г. Барнаул, 2008 г.- The Third International Forum on Strategie Technologies (IFOST-2008). — г. Новосибирск, 2008.

Результаты диссертационного исследования выносились на обсуждение на объединённых научно-технических семинарах кафедр «Малый бизнес и сварочное производство» и «Автоматизированный электропривод и электротехнологии» АлтГТУ им. И. И. Ползунова.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 1 публикация в журнале из списка, рекомендованного ВАК, публикации в сборниках докладов на международных и региональных конференциях.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложений, включающих акт внедрения научно-технических и технологических работ (ПРИЛОЖЕНИЕ Г). Диссертация изложена на 129 страницах, в том числе содержит 74 рисунка, 30 таблиц, список литературы из 75 наименований.

4. Результаты исследования структуры и свойств покрытий, наплавленных на рекомендованных режимах, качественно подтвердили результаты комплексной диагностики сверхзвуковых газовых струй: износостойкость таких покрытий в 8. 10 раз выше показателей стали 45.

5. Выполнена апробация диагностированного технологического процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки износостойких покрытий на предприятии ООО «Энерготех» (г. Барнаул) с расчётным экономическим, эффектом 16 000 рублей в год на одном изделии.