Russian Federation
UDK 62-1 Инженерное дело. Техника в целом. Общие характеристики
In this paper, it is shown that by modulating a plasma arc, as well as the use of an air-gas mix-ture (air with propane-butane), you can signifi-cantly increase the strength of the coating coat-ing, the coefficient of use of the powder, reduce gas permeability and increase the wear resistance of plasma powder coatings.
PLASMA SPRAYING, BIPOLAR MODULATION, COATING STRENGTH WITH BASE, GAS PERMEABILITY, PROP-ERTIES.
|
DOI:
|
|
|
УДК 621.793.74
|
|
|
05.02.07 – Технология и оборудование механической и физико-технической обработки
|
|
|
СВОЙСТВА ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ, НАПЫЛЕННЫХ В РЕЖИМЕ МОДУЛЯЦИИ МОЩНОСТИ ДУГИ
|
PROPERTIES OF PLASMA COATINGS SPRAYED IN ARC POWER MODULATION MODE
|
|
д.т.н., зав. кафедрой машиностроительных технологий Воронежского государственного лесотехнического университета им. Г.Ф. Морозова (РФ) e-mail: kadyrmetov.a@mail.ru
|
Doctor of Tech. Sc., Professor Head. Department of Engineering Technologies, of the Department of Mechanical Engineering Technologies of the Voronezh State Forestry University named after G. F. Morozov (RF) e-mail: kadyrmetov.a@mail.ru
|
|
Снятков Евгений Вячеславович к.т.н., доцент кафедры производства, ремонта и эксплуатации машин Воронежского государственного лесотехнического университета им. Г.Ф. Морозова (РФ)
|
Evgeniy V. Snyatkov Cand. of Tech. Sc., associate Professor of the Department of Production, Repair and Operation of Machines, Voronezh State Forestry Engineering University of G.F. Morozov, (RF)
|
|
Плахотин Александр Александрович аспирант Воронежского государственного лесотехнического университета им. Г.Ф. Морозова (РФ)
|
Alexander A. Plahotin graduate student of the Department of Mechanical Engineering Technologies of the Voronezh State Forestry University named after G. F. Morozov (RF)
|
|
Мандрыкин Игорь Александрович Аспирант Воронежского государственного лесотехнического университета им. Г.Ф. Морозова (РФ)
|
Igor A. Mandrykin Graduate studentof the Department of Mechanical Engineering Technologies of the Voronezh State Forestry University named after G. F. Morozov (RF)
|
|
Аннотация. В работе показано, что с помощью модуляции плазменной дуги, а также использования воздушно-газовой смеси (воздух с пропан-бутаном) можно существенно повысить прочность связи покрытия с подложкой, коэффициент использования порошка, снизить газопроницаемость и повысить износостойкость плазменных порошковых покрытий. |
Annotation. In this paper, it is shown that by modulating a plasma arc, as well as the use of an air-gas mixture (air with propane-butane), you can significantly increase the strength of the coating coating, the coefficient of use of the powder, reduce gas permeability and increase the wear resistance of plasma powder coatings. |
|
Ключевые слова: ПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ, ДВУХПОЛЯРНАЯ МОДУЛЯЦИЯ, ПРОЧНОСТЬ СОЕДИНЕНИЯ ПОКРЫТИЯ С ОСНОВОЙ, ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТЬ, СВОЙСТВА.
|
Keywords: PLASMA SPRAYING, BIPOLAR MODULATION, COATING STRENGTH WITH BASE, GAS PERMEABILITY, PROPERTIES.
|
|
1Автор для ведения переписки |
|
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Влияние плазменной дуги, горящей в режиме модуляции тока, на энтальпийные и эрозионные характеристики плазмотрона освещено в работе [1]. Известно интенсифицирующее воздействие модулированного тока дуги плазмотрона на параметры процесса плазменного напыления [2-7]. В связи с этим представляет практический и теоретический интерес изучение влияния модулированного режима работы плазмотрона на физико-механические свойства порошковых покрытий. С точки зрения высокой податливости к внешним воздействиям наиболее приемлемым для этой цели является использование плазмотрона с самоустанавливающейся длиной дуги. Известно, что модуляция позволяет на определенных частотах увеличить длину дуги в 2 раза (с 40 до 59 мм) [1]. Поэтому длину анода выбрали равной 80 мм при диаметре отверстия 7 мм.
Известен эффективный метод повышения энтальпии плазмообразующего воздуха введением в него пропан-бутана. Этот метод имеет преимущества в сравнении с напылением в чистых газах (азоте, аргоне, водороде и т. д.), заключающиеся в высокой экономической эффективности; возможности повышения энтальпии плазменной струи на величину до 30 % без увеличения электрической мощности; возможности создания восстановительной плазменной среды, предотвращающей окисление напыляемых металлических частиц.
2 Материалы и методы
Для напыления покрытий был выбран порошок ПН55Т45 фракцией 40-63 мкм, а в качестве материала подложки – сталь 40. Прочность соединения покрытия с основой определялась методом отрыва конусного штифта по методике [8, 9]. Для измерения газовой проницаемости использовался метод перепада давления на исследуемом пористом материале [4]. Для этого в стальной цилиндр, перекрытый слоем напыленного покрытия толщиной h с площадью перекрытия S, подавался азот под давлением 0,5 МПа. Газопроницаемость 
определялась по падению давления 
в цилиндре за время t выражением
.
Скорость частиц оценивали экспериментально по фототрековой методике [8].
Эксперименты проводили с использованием плазмотрона ЭДП-104, имеющего непрофилированное цилиндрическое сопло-анод длиной 80 мм. Расход плазмообразующего воздуха составлял 1,5∙10-3 м3/с, электрическая мощность дуги – 30 кВт. Эффективный тепловой КПД нагрева воздушной плазмы составлял 65-70 %, что оценивалось с помощью калориметрирования воды, охлаждающей плазмотрон.
Напыление вели без модуляции на дистанции H = 160 мм в струе воздушной плазмы при расходе транспортирующего пропан-бутана 0,1∙10‑3 м3/с, эжектирующего порошок на срезе сопла анода под углом 1000 при скорости перемещения плазмотрона 0,015 м/с.
3 Результаты исследований
Измерения показали, что скорость напыляемых частиц в периферийной области плазменной струи составляет 20-50 м/с, а по оси струи – 70-100 м/с при расчетной средней скорости воздушной плазмы 400 м/с. Твердость покрытий HV при напылении на стандартном режиме составляла 560-640 кгс/мм2, а при перегреве покрытий повышалась до 780-820 кгс/мм2.
Введение 0,06∙10-3 м3/с пропан-бутана вместе с плазмообразующим воздухом в плазмотрон ЭДП-104 привело к дополнительному выделению 4-6 кВт тепловой мощности от сгорания углеводородов и росту скоростей напыляемых частиц на периферии до 50-100, а по оси струи – до 250-270 м/с. При этом расчетная скорость плазменной струи составила 600 м/с.
Сравнение данных рисунков 1 и 2, полученных без модуляции показывает, что добавление к плазмообразующему воздуху пропан-бутана с расходом 0,06∙10‑3 м3/с приводит к росту адгезионной прочности покрытия с подложкой на отрыв 
от 19 до 30 МПа при H = 160 мм. Дальнейшее увеличение расхода пропан-бутана до (0,08…0,1) ∙10‑3 м3/с приводит к снижению среднемассовой температуры струи на 25 % вследствие роста концентрации несгоревших непредельных углеводородов C2H4 и C2H2, приводящего к снижению тепловыделения сгорания пропан-бутана и к падению прочности соединения покрытия с основой 
от 80-40 МПа до 12-8 МПа во всем интервале изменения Н (рис. 1).
Рисунок 1 – Изменение прочности соединения покрытия с основой σ из порошка ПН55Т45 на стали 40 в зависимости от дистанции напыления Н без модуляции при введении
в плазмообразующий воздух (1,5∙10-3 м3/с) пропан-бутана: 1 – 0,06∙10-3 м3/с;
2 – (0,08-0,1) ∙10‑3 м3/с
Модуляцию воздушной плазменной дуги осуществляли по двухполярной схеме комбинированными импульсами токов (рис. 2) с параметрами для первой и второй доли импульса соответственно 
и 
|
а= |
|
б |
Jср – средний ток дуги; t – время; τп – период пульсации тока;
τи – суммарная длительность импульса тока
Рисунок 2 – Схема двухполярной модуляции тока дуги J плазмотрона (а) и
пример осциллограммы тока и напряжения двухполярной модуляции (б)
Динамика изменения тока и напряжения комбинированного импульса характеризуется тем, что в момент возникновения импульса амплитуда импульса напряжения ΔU – сначала в течение 5-10 мкс снижается на 150-190 В, после чего выходит на средний уровень 200 В, а затем после завершения импульса вычитания тока кратковременно в течение 5-10 мкс увеличивается на 250-300 В. Такое сложное поведение тока и напряжения в импульсе приводит к тому, что в среднем комбинированный импульс мощности выделяет энергию в импульсе 3-4 Дж. Это в среднем добавляет выделение мощности в плазменной струе на величину от 4,2 кВт до 16,8 кВт в диапазоне частот модуляции от 1 кГц до 4 кГц.
Наряду с другими причинами такое добавление энергии, выражающееся в росте температуры и скорости частиц [3, 10], может объяснять влияние частоты модуляции
на прочность соединения покрытия с основой и газопроницаемость (рис. 3 и 4).
Рисунок 3 – Изменение прочности соединения покрытия с основой σ из порошка
ПН55Т45 на стали 40 в зависимости от частоты модуляции ν при дистанции
напыления Н = 160 мм и плазмообразующем газе – воздухе
Рисунок 4 – Изменение газовой проницаемости θ покрытия из порошка ПН55Т45
на стали 40 в зависимости от частоты модуляции ν при дистанции напыления
Н = 160 мм и плазмообразующем газе – воздухе
4 Обсуждение и заключение
Добавление пропан-бутана также приводит к повышению температуры частиц и повышению скорости частиц до 250 м/с в сравнении со скоростями при использовании воздушной плазмы (100 м/с). Таким образом, сочетание модуляции с вводом в плазмообразующий воздух пропан-бутана позволяет достигнуть прочность при детонационно-газовом напылении [11].
Полученные эффекты для прочности соединения покрытия с основой 
и газопроницаемости покрытия 
могут быть объяснены поведением расплавленной частицы в модулированной плазменной струе. Качественными предположениями этого для модулированной воздушной плазмы могут быть:
а) скорость частицы в воздушной струе с модуляцией составляет Vч более 102 м/с, а время пребывания ее в струе t = H / Vч = 1,6∙10-3 c (для условий рис. 3 и 4);
6) плазменную струю и расплавленную частицу пронизывает поток ударных волн слабой интенсивности [3], возникающих с частотой, определяемой частотой модуляции плазменной дуги;
в) модуляция на вышеуказанных частотах приводит к существенному улучшению условий передачи энергии от источника питания к дуге и, как следствие этого, к росту импульса ударной волны;
г) вследствие разницы скоростей расплавленной частицы и ударной волны на поверхности частицы возникают большие градиенты давления, разрушающие каплю на множество мелких капель.
Прямые измерения диаметра частиц, распыленных в воду на режимах с модуляцией, показали уменьшение фракции частиц в интервале частот 650-4200 Гц более чем на порядок в сравнении с немодулированным режимом.
Уменьшение размеров частиц, с одной стороны, приводит к еще большему их разогреву и росту скорости, а с другой стороны, к уменьшению массы частиц. Это приводит к конкурирующим процессам изменения кинетической энергии расплавленных частиц, приводящим к нелинейному характеру изменения зависимостей на рисунках 3 и 4.
Повышение энтальпии плазменной струи на 30 % добавление пропан-бутана к плазмообразующему воздуху приводит к росту вязкости слоев плазмообразующего газа, вследствие чего режим истечения плазменной струи частично переходит из вихревого в ламинарный, способствует большей дальнобойности струи и равномерности параметров поперечного сечения струи [12, 13], обеспечивая высокий коэффициент использования порошка.
Таким образом, показано, что с помощью модуляции плазменной дуги, а также использования воздушно-пропан-бутановой смеси можно существенно повысить адгезию, коэффициент использования порошка и снизить газопроницаемость плазменных порошковых покрытий.
Список литературы
1 Гутман Б. Е. Влияние модуляции плазменной дуги на некоторые параметры технологии напыления. – Сварочное производство. – 1984. – № 9. – С. 17-19.
2 Kadyrmetov, A. M. Intensification of energy exchange in a heterogeneous plasma jet by modulation of the electric parameters of the plasma-spraying process / A. M. Kadyrmetov // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. – 2013. – July. – Vol. 86. – №.4. – pp. 789-797 / (www.springerlink.com/openurl.asp?genre=article&id=doi:10.1007/s10891-013-0896-x).
3 Кадырметов, А. М. Интенсификация энергообмена в гетерогенной плазменной струе при модуляции электрических параметров процесса плазменного напыления / А. М. Кадырметов // Инженерно-физический журнал. – 2013. – Т. 86. – № 4. – С. 739-746.
4 Кадырметов, А. М. Управление технологическим обеспечением процессов плазменного нанесения покрытий в режиме модуляции электрических параметров : монография / А. М. Кадырметов. – Воронеж : Научная книга, 2013. – 260 с.
5 Асонов, А. Н. Устойчивость горения плазменной дуги в импульсном режиме / А. Н. Асонов, А. В. Николаев, Н. Н. Рыкалин // Физика и химия обработки материалов. – 1969. – № 5. – С 140-143.
6 Рыкалин, Н. Н. Энергетические характеристики дугового плазмотрона в импульсном режиме при модуляции тока / Н. Н. Рыкалин, А. В. Николаев, А. Н. Асонов // Физика, техника и применение низкотемпературной плазмы : Тр. IV Всесоюз. конф. по физике и генераторам низкомемпературной плазмы. – Алма-Ата, 1970. – С. 500-504.
7 Алешин, Н. Ф. Двухрежимная модель течения в канале с электрической дугой : Автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук. – Минск, 1987. – 18 с.
8 Хасуй Х. Техника напыления. М. : Машиностроение, 1975, – с. 151.
9 Тушинский, Л. И. Методы исследования материалов : Структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий / Л. И. Тушинский, А. В. Плохов, А. О. Токарев, В. И. Синдеев. – М. : Мир, 2004. – 384 с.
10 Кадырметов, А. М. Особенности процесса воздушно-плазменного нанесения и упрочнения покрытий / А. М. Кадырметов, Г. А. Сухочев // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2009. – № 4(52) . – С. 25-28.
11 Шоршоров М. Х., Харламов Ю. А. Физико-химические основы детонационно-газового напыления покрытий. М. : Наука, 1978. – 234 с.
12 Карп, И. Н. Высокоэнтальпийные плазмотроны на продуктах сгорания природного газа / И. Н. Карп, Н. Н. Гринценко, С. В. Петров // Плазма 77 : Материалы VII Всесоюз. конф. по генераторам низкотемпературной плазмы : В 3 т. – Алма-Ата, 1977. – Т. 1. – С. 86-90.
13 Петров, С. В. Плазменное газовоздушное напыление / С. В. Петров, И. Н. Карп. – Киев : Наукова думка, 1993. – 495 с.
References
1 Gutman B. E. Influence of the modulation of plasma arc to some spraying technology parameters. – Welding production. – 1984. – № 9. – P. 17-19.
2 Kadyrmetov, A. M. Intensification of energy exchange in a heterogeneus plasma jet by MODulation Of the Electric Paramers of the Plasma-Spraying Process / A. M. Kadyrmetov // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. – 2013. – JULY. – Vol. 86. – №.4. – PP. 789-797 / (www.springeerlink.com/openurl.asp?Genre = Article & ID = DOI: 10.1007 / S10891-013-0896-X).
3 Kadyrmetov, A. M. Intensification of the energy exchange in a heterogeneous plasma jet when modulating the electrical parameters of the plasma spraying process / A. M. Kadyrmetov // Engineering and magazine. – 2013. – T. 86. – №. 4. – P. 739-746.
4 Kadyrmetov, A. M. Technological support management of plasma coating processes in the modulation mode of electrical parameters : Monograph / A. M. Kadyrmetov. – Voronezh : Scientific book, 2013. – 260 s.
5 ASONS, A. N. Sustainability of the globe of plasma arc in impulse mode / A. N. Asonov, A. V. Nikolaev, N. N. Rykulin // Physics and chemistry of materials processing. – 1969. – № 5. – from 140-143.
6 Rykalin, N. N. Energy characteristics of arc plasma torus in pulse mode when modulating current / N. N. Rykalin, A. V. Nikolaev, A. N. Assonov // Physics, technique and the use of low-temperature plasma : Tr. IV All-Union. conf. In physics and low-temperature plasma generators. – Alma-Ata, 1970. – P. 500-504.
7 Aleshin, N. F. Twire-mode flow model in a channel with an electric arc : author. dish. ... Cand. Fiz.-floor science – Minsk, 1987. – 18 p.
8 Hasui H. Spraying technique. M. : Mechanical Engineering, 1975 – p. 151.
9 Tushinsky, L. I. Methods of research of materials: Structure, properties and processes of application of inorganic coatings / L. I. Tushinsky, A. V. Plichov, A. O. Tokarev, V. I. Sindev. – M. : Mir, 2004. ‑ 384 p.
10 Kadyrmetov, A. M. Features of the process of air-plasma application and hardening of coatings / A. M. Kadyrmetov, G. A. Drykohev // Strengthening technologies and coatings. – 2009. – № 4 (52). – P. 25-28.
11 Shorshorov M. Kh., Kharlamov Yu. A. The physico-chemical basis of the detonation-gas spraying of coatings. M. : Science, 1978. – 234 p.
12 Karp, I. N. Highlynthalthalpy plasmaiths on products of combustion of natural gas / I. N. Karp, N. N. Greensco, S. V. Petrov // Plasma 77 : Materials VII All-Union. conf. According to low-temperature plasma generators : in 3 tons – Alma-Ata, 1977. – T. 1. – P. 86-90.
13 Petrov, S. V. Plasma gas-air spraying / S. V. Petrov, I. N. Karp. – Kiev : Nukova Dumka, 1993. ‑ 495 p.
© Кадырметов А.М., Снятков Е.В., Плахотин А.А., Мандрыкин И.А., 2021
1. Gutman B. E. Vliyanie modulyacii plazmennoj dugi na nekotorye parametry tekhnologii napyleniya. - Svarochnoe proizvodstvo. - 1984. - № 9. - S. 17-19.
2. Kadyrmetov, A. M. Intensification of energy exchange in a heterogeneous plasma jet by modulation of the electric parameters of the plasma-spraying process / A. M. Kadyrmetov // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. - 2013. - July. - Vol. 86. - №.4. - pp. 789-797 / (www.springerlink.com/openurl.asp?genre=article&id=doihttps://doi.org/10.1007/s10891-013-0896-x).
3. Kadyrmetov, A. M. Intensifikaciya energoobmena v geterogennoj plazmennoj strue pri modulyacii elektricheskih parametrov processa plazmennogo napyleniya / A. M. Kadyrmetov // Inzhenerno-fizicheskij zhurnal. - 2013. - T. 86. - № 4. - S. 739-746.
4. Kadyrmetov, A. M. Upravlenie tekhnologicheskim obespecheniem processov plazmennogo naneseniya pokrytij v rezhime modulyacii elektricheskih parametrov : monografiya / A. M. Kadyrmetov. - Voronezh : Nauchnaya kniga, 2013. - 260 s.
5. Asonov, A. N. Ustojchivost' goreniya plazmennoj dugi v impul'snom rezhime / A. N. Asonov, A. V. Nikolaev, N. N. Rykalin // Fizika i himiya obrabotki materialov. - 1969. - № 5. - S 140-143.
6. Rykalin, N. N. Energeticheskie harakteristiki dugovogo plazmotrona v impul'snom rezhime pri modulyacii toka / N. N. Rykalin, A. V. Nikolaev, A. N. Asonov // Fizika, tekhnika i primenenie nizkotemperaturnoj plazmy : Tr. IV Vsesoyuz. konf. po fizike i generatoram nizkomemperaturnoj plazmy. - Alma-Ata, 1970. - S. 500-504.
7. Aleshin, N. F. Dvuhrezhimnaya model' techeniya v kanale s elektricheskoj dugoj : Avtoref. dis. … kand. fiz.-mat. nauk. - Minsk, 1987. - 18 s.
8. Hasuj H. Tekhnika napyleniya. M. : Mashinostroenie, 1975, - s. 151.
9. Tushinskij, L. I. Metody issledovaniya materialov : Struktura, svojstva i processy naneseniya neorganicheskih pokrytij / L. I. Tushinskij, A. V. Plohov, A. O. Tokarev, V. I. Sindeev. - M. : Mir, 2004. - 384 s.
10. Kadyrmetov, A. M. Osobennosti processa vozdushno-plazmennogo naneseniya i uprochneniya pokrytij / A. M. Kadyrmetov, G. A. Suhochev // Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya. - 2009. - № 4(52) . - S. 25-28.
11. SHorshorov M. H., Harlamov YU. A. Fiziko-himicheskie osnovy detonacionno-gazovogo napyleniya pokrytij. M. : Nauka, 1978. - 234 s.
12. Karp, I. N. Vysokoental'pijnye plazmotrony na produktah sgoraniya prirodnogo gaza / I. N. Karp, N. N. Grincenko, S. V. Petrov // Plazma 77 : Materialy VII Vsesoyuz. konf. po generatoram nizkotemperaturnoj plazmy : V 3 t. - Alma-Ata, 1977. - T. 1. - S. 86-90.
13. Petrov, S. V. Plazmennoe gazovozdushnoe napylenie / S. V. Petrov, I. N. Karp. - Kiev : Naukova dumka, 1993. - 495 s.
