Россия
УДК 621.79 Соединение материалов сваркой, пайкой и склеиванием. Обработка и отделка поверхностей. Хранение и складирование. Упаковка и упаковочные средства
Обоснованы направления исследований при разработке процесса плазменного напыле-ния покрытий. Теоретическое основание совершенствования технологии плазменного напыления.
ПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ, МОДУЛЯЦИЯ ТОКА, СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Существенным недостатком традиционных установок для плазменного напыления является то, что в них используются дорогие и дефицитные плазмообразующие газы, такие как аргон, водород, гелий, азот и их смеси. Там же, где не требуется высокой химической чистоты покрытий, практический интерес вызывает использование в качестве плазмообразующего газа воздуха. При этом для снижения количества окислов в покрытии и повышения энтальпии плазменной струи используют газовоздушные смеси с добавлением в воздух пропана или природного газа.
Таким образом, актуальной задачей является усовершенствование установок плазменного напыления, работающих на дешевых плазмообразующих газах – воздухе и его смесях с различными присадками. Перспективными способами усовершенствования плазменного напыления являются динамизация газодинамических процессов модуляцией мощности дуги плазмотрона [1, 2], мощное акустическое воздействие на дугу и струю внешними источниками [3-5] и их сочетание с добавлением в плазмообразующий газ различных присадок.
В связи с этим актуальным является разработка электродуговых воздушно-плазменных установок с модулятором тока дуги плазмотрона.
Известно, что на энергообмен в системе «дуга – плазменная струя – обрабатываемый материал» можно влиять воздействием на дугу или плазменную струю мощным воздействием акустического поля генерацией ударных волн [3-9]. При этом источником энергии для этого может служить либо сама дуга, горящая в режиме модуляции источника питания, либо источник внешнего воздействия (генератор акустического поля). В отличие от акустического внешнего поля использование динамизации газодинамических процессов в двухфазном плазменном потоке с помощью модулятора мощности электрической дуги плазмотрона позволяет проще реализовать эффективное воздействие на поток без изменения конструкции плазмотрона, а также усилить воздействие на поток при генерации ударных волн.
При акустическом воздействии на дугу плазмотрона и плазменную струю интенсивностью более 150 Дб усиливается энергообмен в общей системе «дуга – плазмообразующий газ – обрабатываемый материал», так как турбулизация течения способствует увеличению коэффициента теплоотдачи к обрабатываемому материалу [3-5]. Последнее повышает производительность процесса и делает его более экономичным. При обработке дисперсного материала (для плазменного напыления) дополнительно возможно трехкратное увеличение коэффициента лобового сопротивления напыляемых частиц [6] и, вследствие этого, их скорости. Помимо этого, при воздействии на плазменную струю мощным акустическим полем возможна интенсификация дробления напыляемых частиц [7]. В результате дробления образуются менее инерционные мелкие частицы, которые легче нагреваются и ускоряются. Все это приводит к повышению качества покрытия и эффективности процесса.
Ударно-волновое воздействие на электрическую дугу плазмотрона и плазменную двухфазную струю позволяет дополнительно в сравнении с акустическим случаем повысить энергообмен между дугой и дисперсным материалом (частицами). Этому способствует скачкообразное усиление температуры и давления с плотностью на фронте ударной волны и дополнительно, при наличии присадок в плазменной струе, приводить к экзотермическому увеличению энергии в плазменной струе (температуре, давлению и скорости) и к детонационному горению с усиленным ударным воздействием [1, 8]. В работе [9] приводятся данные о формировании ударных волн со скоростями, равными 1,7-3,0 чисел Маха, при генерировании импульсов тока с амплитудами тока и напряжения до 10 кА и 3 кВ соответственно при длительностях 50-300 мкс. Это вызывало на фронте ударной волны скачкообразный рост давления в 3,2-10,4 раза, плотности - в 2,4-5,6 раз, температуры – в 1,45-2,76 раз. По оценкам, приведенным в работе [6], это может повысить коэффициент лобового сопротивления дисперсных частиц в плазменной струе в 2-15 раз, что приводит к срыву пограничного слоя с частиц и соответственно – к росту скорости частиц и теплоподводу к ним [10].
При генерации ударных волн в плазменной струе с помощью дуги (точнее, с помощью импульсного модулятора тока дуги) резкое изменение электрической мощности дуги вызывает резкое выделение джоулева тепла в самой дуге [13-15]. Поскольку поверхность дуги свободна, то интенсивное выделение в ней тепла вызывает резкое расширение дугового столба, который как поршень толкает окружающий его плазмообразующий газ («тепловое давление»). Это позволяет при однополярной импульсной модуляции регулировать тепловой коэффициент нагрева плазменной струи в пре делах ± 20 % ‚а эрозию электродов – в пределах одного порядка [12].
Использование однополярной импульсной модуляции при плазменном напылении позволяет повысить твердость покрытия на 55 ... 60 %, прочность сцепления его с основой при напылении порошка – на 15 ... 40 % и понизить газопроницаемость покрытия на порядок [13].
В результате повышается эффективность плазменной обработки материалов с помощью интенсивного волнового воздействия на плазменную струю и более рационально используется энергия дуги. Однако в этом процессе исследована только часть аспектов плазменной обработки материалов при однополярной модуляции.
Важный интерес вызывает также повышение эффективности процесса плазменной наплавки с помощью модуляции мощности выносной дуги плазмотрона и гибридного процесса плазменного напыления – наплавки [16]. Покрытия, эксплуатирующиеся в условиях высоких динамических нагрузок, в свою очередь, требуют дополнительного упрочнения, в качестве которого целесообразно в силу достоинств использовать процессы тепло- и элекромеханического упрочнения [17, 18], а для профильных поверхностей – виброабразивное шлифование и / или струйно-динамический способ упрочнения микрошариками [19-21].
1. Гутман, Б. Е. Влияние модуляции плазменной дуги на адгезию и газопроницаемость порошковых покрытий. / Б. Е Гутман, М. Х. Шоршохов // Физика и химия обработки материалов. - 1986. - № 6. - 61-64 с.
2. Кудинов В. В., Иванов Е. М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. - М., Машиностроение, 1975. - 288 с.
3. Лизунков, Т. П. Интенсификация плазменного напыления при воздействии акустических и электрических колебаний на гетерогенную струю / Т. П. Лизунков, В. Д. Шиманович, В. Д. Буров // Инженерно-физический журнал, 1965. - Т.47. - 12-16 с.
4. Ажаронок, В. В. Влияние внешнего акустического поля‚ на температуру плазмы дугового разряда / В. В Ажаронок., Н. Ф. Алешин, В. А. Губкевич, Т. П. Лизунков, Н. И. Чубрик. В. Д. Шиманович // Инженерно-физический журнал, 1986. - Т.51. - М3, 481 - 486 с.
5. Пустовойтенко, А. И. К оценке влияния пульсаций параметров нагретого газа при струйной обработке порошков / А. И. Пустовойтенко, С. А. Панфилов, Ю. В. Цветков // Физика и химия обработки материалов. 1980. - 151-152 с.
6. Донской А. В., Клубникин В. С. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. - Л. : Машиностроение, 1979. - 221 с.
7. Гонопольский, А. М. Влияние пульсаций потока плазмы на качество покрытий при напылении порошковых материалов. - В кн. : Качество и эффективность автогенного оборудования и процессов. Труды ВНИИ автогенмаш. - М. : 1981. - 33-41 с.
8. Боршоров, М. Х., Физико-механические основы детонационного напыления покрытий / М. Х. Боршоров, Ю. А. Харламов. - М. : Наука, 1987. - 234 с.
9. Минько, Л. Я. Получение и исследование импульсных плазменных токов. - Минск : Наука и техника. 1970. - 184 с.
10. Ranger А. А, Nichollos.А. А. Aerodynamic Shattering of Liquind Drops AIAA Joirnal v. 7, № 2. 1969. pp. 285-290.
11. Райзер, Ю. П. Физика газового разряда. - М. : Наука, 1987. - 692 с.
12. Гутман, Б. Е. Влияние модуляции плазменной дуги на некоторые параметры технологии напыления // Сварочное производство. - 1984. - № 9 - 17-19 с.
13. Шоршоров, М. Х. Влияние модуляции плазменной дуги на структуру покрытий / М Х. Шоршоров, Р. М. Волкова, В. П. Боженов, Б. Е. Гутман // Физика и химия обработки материалов. - 1987. - № 6. - 65-68 с.
14. 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.
15. А. с. 1774828 СССР, МКИ(5) H 05 B 7/18, H 05 H 1/00. Способ нанесения покрытия и устройство для его осуществления / А. П. Лукьянчук, А. М. Кадырметов, Б. А. Кайзер, Д. И. Станчев (СССР) - № 4908035 / 07 ; Заявл. 08.01.91.
16. Соснин, Н. А. Плазменные технологии : Руководство для инженеров / Н. А. Соснин, С. А. Ермаков, П. А. Тополянский. - СПб : Изд-во Политехн. ун-та, 2008. - 406 с.
17. Левин, Э. Л. Термомеханическое упрочнение деталей при восстановлении наплавок / Э. Л. Левин, И. С. Синяговский, Г. С. Трофимов - М. : Колос, 1974 - 160 с.
18. Багмутов, В. П. Электромеханическая обработка: технологические и физические основы, свойства, реализация / В. П. Багмутов, С. Н. Паршев, Н. Г. Дудкина, И. Н. Захаров - Новосибирск : Наука, 2003. - 318 с.
19. Сухачев, Г. А. Виброшлифование теплозащитного покрытия поверхностей детали отрасли / Г. А. Сухачев, А. В. Левченко // Технология. Технология машиностроения : Науч.-тех. сб. - М. : Машиностроение, 1991. - Вып. 3. - С. 15-18.
20. Смоленцев, В. П. Формирование поверхностей контактной и комбинированной обработкой / В. П. Смоленцев, Г. А. Сухочев, А. В. Бондарь // Третья международная научно-техническая конференция по теме : «Влияние технологии на состояние поверхностного слоя - ПС 96». - Гжов, Польша, 1996. - С. 171-181.
21. Сухочев, Г. А. Управление качеством изделий, работающих в экстремальных условиях при нестационарных воздействиях. - М. : Машиностроение, 2004. - 287 с.
22. Кадырметов, А. М. Оборудование для плазменного нанесения и упрочнения покрытий с модуляцией электрических параметров / А. М. Кадырметов, Д. И. Станчев, Г. А. Сухочев // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2010. - № 11(71). - С. 41-48.
23. Заруди, М. Е. Электрический дуговой разряд в канале: Автореферат дис. ... д-ра техн. наук. М., 1971. - 425.
24. Пат. 2029308 (Россия), МКИ(6) G 01 P 5 / 00. Способ определения скорости потока и устройство для его осуществления / А. М. Кадырметов, Д. И. Станчев, Ю. П. Земсков, А. П. Лукьянчук, А. В. Кузнецов ; заявитель и патентообладатель Воронеж. лесотехн. ин-т. - № 5020052 / 10 ; Заявл. 03.01.92 ; Опубл. 20.02.95, Бюл. № 5. - 7 с.
25. Пат. 2063638 (Россия), МКИ(6) G 01 P 5 / 18. Устройство для определения скоростей двухфазного потока / А. М. Кадырметов, В. И. Посметьев, Д. И. Станчев, А. П. Лукьянчук ; заявитель и патентообладатель Воронеж. лесотехн. ин-т. - № 93031664 / 28 ; Заявл. 15.06.93 ; Опубл. 10.07.96, Бюл. № 19. - 7 с.
26. Кадырметов, А. М. Исследование технологии плазменного напыления в условиях модуляции теплофизических параметров потока с применением оптической диагностики характеристик дисперсной фазы напылительной струи [Электронный ресурс] / А. М. Кадырметов, И. П. Гуляев, А. В. Долматов, В. И. Кузьмин, Е. В. Снятков, А. С. Пустовалов // Воронежский научно-технический вестник. - 2016. - № 2(16). - С. 16-23. - Режим доступа : http://vestnikvglta.ru/arhiv/2016/2/3_2_16_2016.pdf. - Загл. с экрана.
27. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. Хасуи А. - М. : Машиностроение, 1985. - 240 с.
28. Тушинский, Л. И. Методы исследований материалов : Структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий / Л. И. Тушинский, А. В. Плохов, А. О. Токарев, В. И. Синдеев. - М. : Мир, 2004. - 284 с.
