Russian Federation
The paper analyzes the technological equipment of the combined process of obtaining multicomponent coatings based on plasma spraying in an open atmosphere.
plasma spraying, multicomponent coating, plasmatron, technological provision, machine parts.
УДК 621.793.74
К ВОПРОСУ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПОКРЫТИЙ
Кадырметов А.М., Снятков Е.В., Попов Д.А.,
Плахотин А.А., Радыгин К.А.
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования «Воронежский государственный
лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова»
E-mail: kadyrmetov.a@mail.ru
Аннотация: В работе проведен анализ технологического оснащения комбинированного процесса получения многокомпонентных покрытий на основе плазменного нанесения в открытой атмосфере.
Ключевые слова: плазменное напыление, многокомпонентное покрытие, плазмотрон, технологическое обеспечение, детали.
ON THE QUESTION OF TECHNOLOGICAL SUPPORT OF PLASMA SPRAYING PROCESSES OF MULTI-COMPONENT COATINGS
Kadyrmetov A.M., Snyatkov E.V., Popov D.A.,
Plahotin A.A., Radygin K.A.
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education
«Voronezh State Forestry University. G.F. Morozova»
E-mail: kadyrmetov.a@mail.ru
Summary: The paper analyzes the technological equipment of the combined process of obtaining multicomponent coatings based on plasma spraying in an open atmosphere.
Keywords: plasma spraying, multicomponent coating, plasmatron, technological provision, machine parts.
Состояние и актуальность плазменного нанесения и упрочнения многокомпонентных покрытий
Использование прогрессивных плазменных технологий при нанесении покрытий на новые детали и при восстановлении изношенных деталей позволяет обеспечить их заданную износостойкость [1-4]. Это эффективно, прежде всего, в отношении деталей ДВС типа круглые стержни (коленчатый вал, распределительный вал, другие валы, клапан) и для полых цилиндров (гильз, ступиц колес, тормозных и др.). Для получения стабильности свойств покрытий в широком диапазоне температур в последнее время стали использовать многокомпонентные сплавы, включающие не менее 5 основных элементов в концентрациях от 5 до 35 атом. % с высокой степенью смешения элементов [5-14].
Всевозможные сочетания компонентов таких материалов и диапазон их свойств до сих пор не раскрыты [10]. Значительная часть исследований многокомпонентных материалов посвящена выяснению свойств сплавов и их микроструктурных параметров, но только малая часть публикаций отражает проблему методов получения. Среди них незначительная доля публикаций посвящена методам нанесения многокомпонентных покрытий с высокой степенью смешения компонентов. В свою очередь, методам получения многокомпонентных покрытий с высокой степенью смешения компонентов на основе плазменного напыления в открытой или контролируемой атмосфере посвящены единичные работы. Такие методы практически не исследованы.
Совершенствование плазменных технологий нанесения и упрочнения многокомпонентных плазменных покрытий и изучение влияния факторов на критерии процессов возможно путями, представленными в работе [15]. К таким путям относятся динамизация процессов модуляцией параметров [16] и комбинирование процессов с использованием вибромеханической, электромеханической обработки и др. [17-23].
Технологическое обеспечение процессов плазменного напыления многокомпонентных покрытий
Цель технологического обеспечения плазменного напыления и упрочнения многокомпонентных покрытий включает оптимизацию конструктивно-технологических решений в создании деталей с такими покрытиями с экстремальными свойствами и / или заданными свойствами и высоким технико-экономическим эффектом. Критериями оптимизации являются параметры качества покрытий, затраты на их получение и надежность технологии [24]. Достижение цели состоит в определении прогнозной оценки осуществления технологии получения многокомпонентных покрытий с высокой степенью смешения компонентов на основе плазменного напыления в условиях открытой или контролируемой атмосферы и технологических проектных решений подготовки смеси напыляемого материала.
Прогноз возможности реализации перспективных процессов нанесения многокомпонентных покрытий осуществляется созданием задела научно-технических разработок получения покрытий проведением исследований, включая анализ информации и теоретическую проработку, а также проведение экспериментальных исследований по перспективным конструкторско-технологическим решениям [25].
Технологическое обеспечение проектирования технологических процессов плазменного нанесения многокомпонентных покрытий включает в себя научно-исследовательские и опытно-технологические работы. Данные работы содержат: поиск решений проблем конструктивно-технологического плана; документальную формализацию выявленных решений данных проблем; выбор и оценку конструктивно-технологических решений получения покрытий; экспериментальные работы по обоснованию выбранных конструктивно-технологических решений; оформление результатов в виде отчета [25].
Основу конструктивно-технологических решений составляет технологическое оснащение – оснастка и оборудование.
Технологическое оснащение подготовки смеси компонентов напыляемого материала
Подготовка смеси порошков компонентов заключается в равномерном перемешивании компонентов и включает этапы: сушка каждого порошка в печи при температуре ~100 0С в течение 1 ч, его просеивание через вибросита для обеспечения нужной фракции, смешивание, окончательная сушка в печи при температуре ~100 0С и просеивание перед напылением.
Сложность представляет процесс перемешивания составляющих порошков, имеющих значительное различие по плотности и приводящее к сепарации легких фракций. Для решения этой проблемы существуют подходы механического, газодинамического и комбинированного смешивания. Механический подход состоит в придании порошковой смеси нескольких степеней свободы движения, включая вращательные и поступательные движения. Примером является смеситель порошков С2.0 «Турбула». Газодинамический подход состоит в закручивании струй с порошками в емкости таким образом, чтобы струи с легкими порошками закручивались около стенки емкости, а струи с более тяжелыми порошками закручивались ближе к оси емкости. Это дает возможность последним за счет центробежной силы двигаться к пристеночным потокам и смешиваться с более легкими частицами порошка.
Технологическое оснащение процесса плазменного нанесения многокомпонентного материала
Для защиты напыляемого материала от внешней среды при напылении используется газодинамический метод создания кольцевой струйной завесы контролируемой средой (азотной, аргоновой, др.) с помощью насадки на плазмотрон. Равномерность распределения компонентов в покрытии при напылении реализуется либо напылением ранее перемешанного в смесителе состава порошков, либо подачей составляющих порошков в отдельности через свои каналы в сопле плазмотрона. Последний вариант является наиболее приемлемым и удобным в управлении, но конструктивно и технологически самым сложным ввиду необходимости использования нескольких порошковых питателей. Наиболее оптимальным представляется вариант подачи двух смесей порошков через два канала в сопле плазмотрона в доанодную и заанодную части тугоплавкой и легкоплавкой смесей соответственно.
Для создания более равномерной структуры более предпочтительным вариантом является плазменная наплавка многокомпонентной смеси двухдуговым плазмотроном, в которой прямая дуга дополнительно оплавляет нанесенный слой покрытия. Промежуточный вариант занимает процесс двухдугового плазменного напыления с импульсной модуляцией мощностей дуг [3, 4, 25].
Технологическое оснащение процесса диспергирования многокомпонентного покрытия
Для диспергирования нанесенного покрытия используется, прежде всего, тепловая энергия. В открытой атмосфере наиболее эффективно для этого использование высокоэнергетических концентрированных источников тепла – лазерного луча и / плазменной струи. Кратное переплавление покрытия с их помощью предположительно позволяет смешать компоненты покрытия до атомарного уровня при отсутствии перегрева детали при её технологически оптимальном охлаждении.
Дополнительное использование механической энергии с помощью электромеханической обработки параллельно или последовательно с оплавлением покрытия позволит интенсифицировать диспергирование состава покрытия. Предпосылками возможности гомогенизации состава покрытия являются высокая скорость охлаждения сплава в покрытии с помощью импульсной модуляции мощностей плазменной и электромеханической обработки покрытия.
Общие вопросы технологического оснащения плазменного нанесения покрытий
Вариантом оснащения оборудованием включает установки: плазменного напыления и наплавки, электромеханической обработки и специальные приспособления [15, 19, 21]. Установка ПН (АС № 1774828 СССР, патенты РФ № 2480533, № 2211256) позволяет модулировать электрическую мощность дуг одно- и двухполярными импульсами [25].
Традиционным специальным технологическим оснащением для плазменного напыления на шатунные шейки коленчатых валов является центросместитель. Для уменьшения подготовительно-заключительного времени нанесения покрытия с электромеханической обработкой может использоваться устройство по патентам РФ №2085301, № 2447951, № 129021 [26]. Установ вала на станок с помощью данного устройства осуществляется один раз для всех шеек, а для любой шатунной шейки установ осуществляется также один раз для напыления и обкатки.
На кулачки распределительного вала покрытие наносится с помощью устройства копирного типа [27]. Постоянство дистанции напыления до поверхности кулачка обеспечивается технологическим кулачком-копиром, по которому перемещается штанга штока плазмотрона.
Для плазменной наплавки клапанов двигателя внутреннего сгорания используются установки, содержащие охлаждающую опору-вращатель клапана и колебатель плазмотрона [28].
Современный гибридный процесс плазменной наплавки-напыления [19] реализуется на установках нового поколения, примером которой является установка компании НПФ «Плазмацентр» [29, 30]. Данный процесс в зарубежной литературе называется plasma transferred arc process (PTA-процесс). Он одновременно задействуют основную и косвенную дуги.
Внутренняя изношенная поверхность цилиндров может быть восстановлена плазменным напылением по классической схеме, когда цилиндр вращается, а плазмотрон совершает поступательное движение. Для этого используется удлиненная штанга-держатель плазмотрона. Но предпочтительней является схема вращающегося с поступательным перемещением плазмотрона, которая позволяет наносить покрытие, не вынимая цилиндра из блока, а также наносить покрытие на безгильзовые блоки [25].
Данная схема напыления может быть эффективна для использования также и для таких деталей, как ступица колеса, чашка дифференциала, картер подшипников ведущей шестерни главной передачи, крышка подшипника ведущего вала коробки передач и заднего моста, тормозной цилиндр, ступица ведомого диска сцепления, муфта подшипника выключения сцепления.
Заключение
Составляющие процесса плазменного напыления многокомпонентного покрытия с его кратным оплавлением и электромеханической обработкой представляют возможность образования и сохранения в нем высокой степени смешения компонентов до уровня образования твердого раствора замещения как непосредственно после кристаллизации напыленного слоя, так и при последующей его электромеханической или лучевой обработки.
Восстановление деталей типа вал с профильными поверхностями, а также деталей типа цилиндр и др. при использовании технологического оснащения повышает эффективность восстановления изношенных поверхностей. Для реализации плазменного нанесения и упрочнения покрытий имеются и разработаны специальные средства технологического обеспечения.
1. Vosstanovlenie avtomobil'nyh detalej : Tekhnologiya i oborudovanie : Ucheb. dlya vuzov / V. E. Kanarchuk, A. D. CHigirinec, O. L. Golyak, P. M. SHockij. - M. : Transport, 1995. - 303 s.
2. Suhochev, G. A. Upravlenie kachestvom izdelij, rabotayushchih v ekstremal'nyh uslo¬viyah pri nestacionarnyh vozdejstviyah / G. A. Suhochev. - M. : Mashinostroenie, 2004. - 287 s.
3. Kadyrmetov A. M., Suhochev G. A. Osobennosti processa vozdushno-plazmennogo naneseniya i uprochneniya pokrytij // Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. 2009. № 4(52). - S. 25-28.
4. Kadyrmetov, A. M. Sovremennye tekhnologii plazmennyh i gazotermicheskih processov naneseniya pokrytij v otkrytoj atmosfere / A. M. Kadyrmetov, YU. E. Simonova, A. A. Plahotin, D. V. Kolmakov // Sovremennye materialy, tekhnika i tekhnologiya : sbornik nauchnyh statej 9-j Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii (28 dekabrya 2019 goda) / YUgo-Zap. gos. un-t.; v 2-h tomah. Tom 1. - Kurs : YUgo-Zap. gos.un-t, 2019. - S. 226-238.
5. B. Cantor, and others, Mater. Sci. Eng. A, 375, (2004) 213-218.
6. F. Otto, and others, Acta Mater., 61, (2013) 2628-2638.
7. Yeh Jien-Wei, Chang Shou-Yi, Hong Yu-Der, Chen Swe-Kai, Lin Su-Jien. Anomalous decrease in X-ray diffraction intensities of Cu-Ni-Al-Co-Cr-Fe-Si alloy systems with multi-principal elements // Materials Chemistry and Physics. - 2007. V. 103. - P. 41−46.
8. Karpec', M. V. Vliyanie soderzhaniya nikelya na iznosostojkost' litogo vysokoentropijnogo splava VCrMnFeCoNih / M. V. Karpec', V. F. Gorban', O. M. Mislivchenko, S. V. Marchenko // Sovremennaya elektrometallurgiya. - 2015. - №1. - S. 56-60.
9. J.W. Yeh, S.K. Chen, S.J. Lin, J.Y. Gan,; T.S. Chin, T.T. Shun, C.H. Tsau, S.Y. Chang, Adv. Eng. Mater., 6, (2004) 299-303.
10. J.W. Yeh, Annales de Chimie Science des Matériaux, 31, (2006) 633 648.
11. Y. Zhang, and others, Progr. Mater. Scien., 61, (2014) 1-93.
12. Ming-Hung Tsai, Entropy, 15, (2013) 5338-5345.
13. Daniel B. Miracle and others, Entropy, 16, (2014) 494-525.
14. Z.P. Lu, H. Wang, M.W. Chen, I. Baker, J.W. Yeh, C.T. Liu, T.G. Nieh, Intermetallics, 66, (2015) Pages 67-76.
15. Kadyrmetov, A. M. Obzor voprosov effektivnosti plazmennogo napyleniya / A. M. Kadyrmetov, E. V., Snyatkov, A. S. Pustovalov, R. V. Mirzekhanov // Voronezhskij nauchno-tekhnicheskij vestnik. - 2016. - № 1 (15). - 14 s. - Bibliogr.: s. 12. Rezhim dostupa:https://yadi.sk/i/eU59k8OIsKSTQ.
16. Suhochev, G. A. Eksperimental'nye issledovaniya parametrov upravlyaemosti processa vozdushno-plazmennogo naneseniya i uprochneniya pokrytij / G. A. Suhochev, A. M. Kadyrmetov // Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. - 2008. - №11(47). - S. 53-56.
17. Bagmutov, V. P. Struktura i mekhanicheskie svojstva plazmennyh pokrytij posle elektromekhanicheskoj obrabotki / V. P. Bagmutov, V. I. Kalita, I. N. Zaharov, S. N. Parshev // Fizika i himiya obrabotki materialov. 2007. № 3. - S. 22 28.
18. Suhochev, G. A. Tekhnologicheskoe obespechenie kachestva naneseniya zashchitnyh pokrytij kombinirovannoj obrabotkoj / G. A. Suhochev, O. N. Kirillov, A. M. Kadyrmetov i dr. // Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. 2010. № 8(68). - S. 39-44.
19. Sosnin, N. A. Plazmennye tekhnologii. Rukovodstvo dlya inzhenerov / N. A. Sosnin, S. A. Ermakov, P. A. Topolyanskij. SPb : Izd-vo Politekhn. un-ta, 2008. - 406 s.
20. Kadyrmetov, A. M. Oborudovanie dlya plazmennogo naneseniya i uprochneniya pokrytij s modulyaciej elektricheskih parametrov / A. M. Kadyrmetov, D. I. Stanchev, G. A. Suhochev // Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. - 2010. - № 11(71). - S. 41-48.
21. Patent № 2211256 RF, MPK 7 S 23 S 4/12. Sposob naneseniya pokrytiya / D. I. Stanchev, A. M. Kadyrmetov, V. N. Buhtoyarov, A. V. Vinokurov. BI № 24. 2003.
22. Kadyrmetov, A. M. Tekhnologiya plazmennogo naneseniya i uprochneniya pokrytij v resursosberegayushchih proizvodstvennyh processah / A. M. Kadyrmetov, D. I. Stanchev, G. A. Suhochev // Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. - 2010. - № 7(67). S. 29-36.
23. Kadyrmetov, A. M. Perspektivy uprochneniya pokrytij metodom plazmennogo napyleniya s odnovremennoj elektromekhanicheskoj obrabotkoj / A. M. Kadyrmetov, V. O. Nikonov, V. N. Buhtoyarov i dr. // Stanochnyj park. - 2012. - № 6. - S. 58-60.
24. GOST R 50995.0.1-96. Tekhnologicheskoe obespechenie sozdaniya produkcii. Osnovnye polozheniya.
25. Timohova, O. M. Voprosy tekhnologicheskogo obespecheniya plazmennogo napyleniya i uprochneniya pokrytij detalej mashin [Elektronnyj resurs] / O. M. Timohova, A. M. Kadyrmetov, E. V. Snyatkov, V. L. Mahonin // Voronezhskij nauchno-tekhnicheskij vestnik. - 2017. - T. 4, № 4 (22). - S. 16-31. Rezhim dostupa : http://vestnikvglta.ru/arhiv/2017/4-22-2017/16-31.pdf.
26. Kadyrmetov, A. M. Manipulyatory, ispol'zuemye dlya plazmennogo napyleniya kolenchatyh valov / A. M. Kadyrmetov, V. N. Buhtoyarov, A. I. Venevcev // Energoeffektivnost' avtotransportnyh sredstv : nanotekhnologii, informacionno-kommunikacionnye sistemy, al'ternativnye istochniki energii : materialy Vserossijskoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem 4-7 iyunya 2019 goda. - Voronezh, 2019. - S.40-44.
27. Kadyrmetov, A. M. Vosstanovlenie i uprochnenie slozhnoprofil'nyh poverhnostej / A. M. Kadyrmetov, R. V. Mirzekhanov, V. N. Buhtoyarov // Voronezhskij nauchno-tekhnicheskij vestnik. - 2018. - T. 1, № 1 (23). - S. 4-8. Rezhim dostupa : http://vestnikvglta.ru/arhiv/2018/1-1-23-2018/4-8.pdf.
28. Timohova, O. M. Vosstanovlenie klapanov dvigatelej vnutrennego sgoraniya plazmennoj naplavkoj i napyleniem s modulyaciej parametrov / O. M. Timohova, A. M. Kadyrmetov, E. V. Snyatkov, V. V. Romanov // Voronezhskij nauchno-tekhnicheskij vestnik. - 2018. - T. 1, № 1 (23). - S. 53-67. Rezhim dostupa : http://vestnikvglta.ru/arhiv/2018/1-1-23-2018/53-67.pdf .
29. Topolyanskij, P. A. Novoe pokolenie ustanovok dlya poroshkovoj plazmennoj naplavki-napyleniya (process RTA) [Elektronnyj resurs] / P. A. Topolyanskij, S. A. Ermakov, A. YU. Smirnov, N. A. Sosnin / Tekhnologii remonta, vosstanovleniya i uprochneniya detalej mashin, mekhanizmov, oborudovaniya, instrumenta i tekhnologicheskoj osnastki : Materialy 5-j Mezhdunar. prakt. konferencii-vystavki, prohodivshej 8-10 aprelya 2003 g. : SPb.: Izd-vo Politekhn. un-ta, 2003 (SHifr stat'i R03-06).
30. Ustanovka dlya plazmennoj poroshkovoj naplavki - napyleniya klapanov (PTA-process) / Tekhnologii remonta, vosstanovleniya i uprochneniya detalej mashin, mekhanizmov, oborudovaniya, instrumenta i tekhnologicheskoj osnastki : V 2 ch. - CHast' 2 : Materialy 9-j Mezhdunar. prakt. konf. : SPb.: Izd-vo Politekhn. un-ta, 2007. - S. 391.
