1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Анализ литературных источников показывает, что методологическая база механической активации металлических порошков хорошо проработана и продолжает развиваться как в теоретическом, так и в прикладном аспектах [1-9]. Фундаментальное понятие активации разделяют на механоактивацию (МА) (накопление дефектов и изменение свойств) и механическое сплавление (химическое взаимодействие и массоперенос на атомарном уровне). Механическая активация коренным образом меняет структуру материала на микро- и наноуровне, что влечет за собой изменение его физико-химических свойств [2-4]. Главным макроскопическим эффектом структурных изменений является резкое повышение химической и реакционной активности поверхности металлов. Механическая активация значительно влияет на свойства порошков, позволяя определить оптимальные параметры для реактивного плазменного напыления (РПН), которое является высокоэффективным методом создания покрытий с уникальными эксплуатационными характеристиками [9]. Установлено, что оптимальное время активации составляет 60 минут, при котором достигается наилучшее сочетание характеристик: уменьшение размера частиц, снижение агломерации, повышение термической стабильности и образование фаз с высокой кристалличностью. Обнаружено, что такие условия активации способствуют синтезу новых функциональных фаз, что повышает реакционную способность и однородность композиции.
Также анализ известных исследований показал, что при МА чаще всего используют высокоинтенсивные шаровые мельницы, которые в процесс активации и смешивания существенно измельчают частицы порошка до фракции менее 1 мкм, даже за короткие интервалы смешивания 15-30 мин. Такие мелкодисперсные фракции порошка, попадая в плазменную струю, испаряются, сгорают, изменяя заданный химический состав покрытия. Кроме этого, смешивание порошков осуществляется в воздушной атмосфере, что приводит к интенсивному окислению частиц порошка и ухудшению реакционной способности поверхности, а значит и качеству адгезионного взаимодействия при формировании покрытия. Таким образом, в качестве основного оборудования для газотермического напыления для активации порошков используют планетарные мельницы, струйные мельницы и дезинтеграторы. Это подтверждается экспериментальными работами, где, например, для получения сплавов Ti-Nb и Fe-Ti используются планетарные мельницы типа АГО-2С [5-7].
Эволюция методов МА подробно рассмотрена в статье из журнала "Chemistry for Sustainable Development" за 2024 год [2]. Авторы этой работы из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН показывают, как развитие технологий механической активации шло параллельно с созданием нового оборудования (планетарные мельницы, автоклавы) для решения конкретных промышленных задач по переработке сырья. Международный контекст метода МА подтверждается обзором 2023 года о его роли в переработке титанового сырья, а также обзором, посвященным применению барабанных мельниц с перемешивающей средой (stirred media mills) [7]. Краткий анализ основных исследований МА материалов приведен в табл. 1.
Таблица 1 – Результаты исследований МА различных материалов
|
Тематика исследования |
Материал порошка |
Основные выводы / Эффект МА |
|
Влияние МА на свойства металлических покрытий |
Медь (Cu) |
МА улучшает внутреннюю структуру и прочностные свойства плазменных покрытий. Активность порошка растет с накоплением дефектов кристаллической решетки, но имеет оптимум по времени (15 мин) [8] |
|
Оптимизация МА для реактивно-плазменного напыления (РПН) |
TiSiCN (Ti+SiC, TiCN+Si) |
Определено оптимальное время активации (60 мин) для улучшения морфологии, термической стабильности и фазового состава порошков. МА способствует синтезу новых фаз [9] |
|
Влияние МА на эволюцию порошков |
TiSiCN (Ti+SiC, TiCN+Si) |
МА уменьшает размер частиц, увеличивает удельную поверхность и реакционную способность. Полученные покрытия отличаются высокой плотностью, твердостью и термической стабильностью [9] |
|
МА керамических порошков для плазменного напыления |
Al₂O₃-TiO₂, Al₂O₃-ZrO₂ |
Исследовано влияние МА на структуру и фазовый состав керамических покрытий, полученных при различных параметрах плазменного напыления [10] |
|
МА в процессе получения порошков |
TiC–Co, TiC–NiCr |
МА используется как предварительная стадия для активации реагентов в самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (СВС) перед плазменной обработкой для сфероидизации частиц [6] |
Несмотря на большое количество публикаций, посвященных МА, механические процессы активации материалов рассмотрены в основном для случая использования различных мельниц. Подготовка многокомпонентных смесей для плазменного напыления в основном осуществляется с помощью смесителей, активация порошков в которых практически отсутствует. Поэтому представляет интерес модернизации смесителей, обеспечивающих помимо смешения компонентов еще дополнительную активацию.
Целью исследований является оценка возможности активации порошковой многокомпонентной смеси с помощью модифицированного смесителя, интенсифицирующего смесеобразование, и определение влияния этого на физико-механические свойства покрытий, полученных плазменным напылением. Объект исследования – процессы активного смешения порошковых компонентов и плазменного напыления полученной многокомпонентной смеси. Предмет исследования – физико-механические свойства плазменных покрытий, напыленных из многокомпонентной смеси, подготовленной в модифицированном смесителе.
2 Материалы и методы
Для смешения металлических порошков была разработана конструкция порошкового смесителя, позволяющего интенсифицировать процесс (рис.1), особенностями конструкции которого являются:
– форма корпуса выполнена в виде шестигранной бипирамиды. Грани смесителя имеют оребрение перфорированными пластинами, обеспечивающими активное перемешивание и разделение частиц порошка в случае слипания, а также активное трение частиц между собой и поверхностями смесителя;
– смеситель оснащен штуцерами ввода и вывода газа, прямым и обратным клапанами для прокачки смесителя с целью замещения в нем рабочих газов (например, воздуха инертным газом). Привод смесителя оснащен электронным блоком управления, позволяющим задавать продолжительность и частоту вращения смесителя.
После активации в инертной атмосфере порошок транспортируется в плазматрон в инертной среде газа для предотвращения окисления частиц. Экспериментальная порошковая смесь массой 0,5 кг состояла из 5 компонентов (Fe, Ni, Al, Сr, Mo) в эквимолярном соотношении, дисперсность порошка была одинаковой после просева 45-50 мкм.
|
|
|
|
а) |
б) |
а) 3D-модель; б) фото смесителя; 1 – смеситель; 2 – ременная передача; 3 – привод смесителя
(мотор-редуктор); 4 – засыпная горловина; 5 – шаровый кран; 6 – штуцер присоединения трубки
подачи порошка к плазматрону; 7 – штуцер с обратным клапаном ввода инертного газа;
8 – штуцер к клапану вывода газа; 9 – каркас смесителя-активатора; 10 – винт засыпной горловины
Рисунок 1 – Общий вид смесителя-активатора
Порошковая смесь, прошедшая смешение, для минимизации окисления частиц смеси подавалась в среде инертного газа (аргона) непосредственно в плазменную струю, создаваемую плазматроном. Степень механической активации оценивалась косвенно через непосредственное её влияние на изменение физико-механических свойств получаемых покрытий (прочность, твердость). Прочность соединения покрытия с основой определяли методом сдвига с помощью оправки на образцах-роликах. По максимальному усилию, предшествовавшему срыву покрытия определяли прочность его сцепления с основой. Твердость покрытия определяли на твердомере Роквелла ТК-2М по шкале С. Плазменное напыление осуществляли на установке, описанной в работе [11], на режимах: средний ток дуги Jср = 150 А; среднее напряжение на дуге Uср = 200 В; расход плазмообразующего азота QN2 = 1,5×10-3 м3/с (90 л/мин); расход транспортирующего аргона Qтрансп. = 0,1×10-3 м3/с (6 л/мин); дистанция напыления L = 160 мм; расход порошка Gпор= 2 г/с.
Целью предварительных испытаний было: установление граничных значений выбранных факторов (продолжительности смешения и частоты вращения барабана) и их влияния на прочность соединения покрытия с основой; оценка режимов возможного слипания частиц с образованием агломерата порошка, недопустимого по размерам напыления. Испытания проводили с короткими интервалами времени по 10 мин на 4-х уровнях варьирования при частотах вращения на 2-х уровнях (30 и 60 об/мин).
3 Результаты исследований
Результаты испытаний на адгезионную прочность представлены на рис. 2.
Рисунок 2 – Графическая зависимость влияния времени активации порошка
при смешивании на адгезионную прочность плазменного покрытия
В результате испытаний была отмечена небольшая (до 15 %) тенденция к росту прочности соединения покрытия с основой при увеличении продолжительности перемешивания свыше 20 мин при частоте вращения барабана 60 об/мин. Полученные эмпирические данные хорошо аппроксимировались степенной функций. Это свидетельствует о возможном существовании активационного эффекта и его роста с увеличением времени обработки. В процессе испытаний на данных режимах слипания частиц порошка и формирования агломерата не наблюдалось.
4 Обсуждение и заключение
Результаты проведенных испытаний предположительно свидетельствуют о наличии эффекта активации порошковой смеси при перемешивании ее в разработанном смесителе в инертной атмосфере и её влияния на прочность соединения покрытия с основой, полученного плазменным напылением. С ростом интенсивности перемешивания в интервале времени от 20 до 40 мин при частоте вращения до 60 мин-1 происходило повышение прочности соединения покрытия с основой на 15 % при отсутствии слипания порошковых частиц на данных режимах. Полученные результаты предварительных испытаний создают предпосылки к продолжению исследований в данном направлении с учетом следующих весомых условий, способных интенсифицировать процесс, к которым можно отнести:
– выбор научно-обоснованного сочетания металлов в составе порошковой смеси, учитывая различную индивидуальную химическую активность металлов;
– определение наиболее рациональных режимов смешивания порошков, обеспечивающих максимальную активацию порошка без слипания частиц в крупные агломераты;
– использование при смешивании поверхностно-активных веществ (кислоты, спирты), способствующих активации поверхности порошка;
– разработка и совершенствование более эффективных смесителей-активаторов.
