Науково-технологічні основи керування властивостями детонаційних покриттів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

05.03.06 - зварювання та споріднені технології

Науково-технологічні основи керування властивостями детонаційних покриттів

Астахов Євгеній Аркадійович

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Борисов Юрій Сергійович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідуючий відділом.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Корж Віктор Миколайович, Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, професор;

доктор технічних наук, професор Щепетов Віталій Володимирович, Національний авіаційний університет України, завідуючий кафедрою;

доктор технічних наук, ст. н. сп. Подчерняєва Ірина Олександрівна, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, провідний науковий співробітник.

Провідна установа: Інститут газу НАН України, м. Київ.

Вчений секретар спеціалізованої ради, доктор технічних наук Киреєв Л. С.

Анотація

Є.А. Астахов. Науково-технологічні основи керування властивостями детонаційних покриттів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук зі спеціальності 05.03.06 “Зварювання та споріднені технології”. Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, м. Київ, 2005 р.

Дисертація присвячена розробці системного підходу до керування якістю ДП, що включає етапи вибору характеристик порошку і складу робочої газової суміші, формування газопорошкової суміші, регулювання параметрів імпульсного двофазного потоку, забезпечення необхідних умов контактної взаємодії при формуванні покриття, що зв'язуються з типом напилюваного матеріалу і заданими службовими властивостями напиленого шару.

На основі нових науково-технічних і конструкторських рішень розроблені системи: газорозподілу і змішування компонентів робочої газової суміші, дозування і подачі напилюваного порошку; формування спрямованого руху двофазного газового потоку; захисту від зворотних ударів; керування, регулювання процесом і оперативною діагностикою технологічного процесу і запропоновано комплексний підхід до створення промислового автоматизованого комплексу (АДК) для нанесення різнофункціональних покриттів.

Створено промислове устаткування і комплекс технологічних процесів нанесення покриттів з WC-Co, сплавів Fe-B, Ni-Nb, Ni-Si-C-Fe, Fe-Cr-B-C, котрі аморфизуються і Al₂O₃, що знайшли широке застосування на різних підприємствах в Україні, країнах СНД і за кордоном.

Ключові слова: детонаційне напилення покриттів, швидкість і температура часток, умови формування шару, властивості покриттів.

Аннотация

Е.А. Астахов. Научно-технологические основы управления свойствами детонационных покрытий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.06 “Сварка и родственные технологии”. Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, г. Киев, 2005 г.

Диссертация посвящена разработке системного подхода к управлению качеством детонационных покрытий, включающего этапы выбора характеристик порошка и состава рабочей газовой смеси, формирования газопорошковой смеси, регулирования параметров импульсного двухфазного потока, обеспечения необходимых условий контактного взаимодействия при формировании покрытия, которые связываются с типом напыляемого материала и заданными служебными свойствами напыленного слоя.

Выполнена оценка динамических параметров при детонации газовых смесей, установлены концентрационные соотношения взрывчатых смесей, обеспечивающие устойчивый детонационный режим сгорания смеси в стволе установки для нанесения покрытий; обосновано применение при детонационном напылении горючего газа - пропан-бутана.

Изучены особенности взаимодействия ускоренных и нагретых частиц порошка с поверхностью напыляемой подложки. Показано, что в интервале скоростей 400...1000 м/с ударное давление изменяется в пределах 10...50 ГН/м², а напорное - 5...15 ГН/м².

Увеличение скорости напыляемых частиц сокращает разрыв в значениях развиваемых ударного и напорного давления и тем существеннее, чем выше плотность материала частиц. Оценка термического цикла в зоне контакта показала, что ее разогрев и остывание при детонационном напылении происходит за 10^-7… 10^-10 с, что на 2…5 порядков меньше частоты соударения частиц.

Экспериментально установлено, что оптимальные условия получения покрытий на основе карбида вольфрама соответствуют нагреву частиц до температуры (0,8…0,9) Т_пл. и скорости соударения частиц с основой свыше 300 м/с. Определено, что структура и свойства покрытий WC-Co зависят в равной степени, как от технологических параметров напыления (состава рабочей смеси, размера напыляемых частиц, величины дозы порошка на цикл, длины ствола и места нахождения в ней навески порошка и т.д.), так и от метода подготовки исходного материала (механическая смесь, спеченный и размолотый порошок, конгломерированный, плакированный).

С точки зрения достижения максимальной прочности сцепления благоприятным при применении ацетилена является соотношение 1,2:1,0, а при использовании пропан-бутана - 3,5:1,0. Добавление до 30% азота приводит к улучшению качества покрытий, что связано с понижением термического воздействия на порошок WC-Co, а следовательно, уменьшением процесса обезуглероживания.

Впервые исследована возможность напыления детонационных покрытий из порошков, полученных размолом отходов твердосплавных пластин металлорежущего инструмента в дезинтеграторе, и выработаны рекомендации по их применению.

Сформулировано необходимое условие аморфизации металлических сплавов при ДН, определены рациональные режимы напыления (на примере сплавов системы Fe-B) с использованием различных рабочих газов, обеспечивающие содержание аморфной фазы в пределах 50…80 %. Впервые показано, что в аморфизируемых ДП формируются преимущественно остаточные напряжения сжатия, уровень которых возрастает по мере нагрева основы в процессе напыления. Формирование остаточных сжимающих напряжений способствует повышению на 10…30 % предела выносливости материала основы.

Установлено, что свойства оксидных покрытий находятся в прямой зависимости от температуры частиц в момент формирования слоя покрытия. Максимальная прочность сцепления (40…45 МПа) соответствует режиму, при котором нагрев частиц соответствует температуре их плавления. При этом слой на границе с основой содержит метастабильную -фазу, отличающуюся более высокой химической активностью по сравнению с -фазой, что важно для развития контактного взаимодействия с оксидной пленкой на поверхности основы. Формирование -фазы более активно происходит при резком охлаждении расплава. Увеличение содержания -фазы в последующих слоях, обеспечивающее повышение их износостойкости в 3…5 раз, требует снижения скорости охлаждения расплава, что достигается увеличением в 1,5…2,0 раза толщины последующих слоев за цикл.

На основе новых научно-технических и конструкторских решений разработаны системы: газораспределения и смешения компонентов рабочей газовой смеси, дозирования и подачи напыляемого порошка; формирования направленного движения двухфазного газового потока; защиты от обратных ударов; управления, регулирования процессом и оперативной диагностики технологического процесса. Предложен комплексный подход к созданию промышленного автоматизированного комплекса (АДК) для нанесения разнофункциональных покрытий.

Предложен новый способ детонационного напыления, обеспечивающий более однородный состав детонационной смеси и повышение физико-механических свойств покрытий.

Создано промышленное оборудование и комплекс технологических процессов, нанесения покрытий из WC-Co, аморфизирующих сплавов Fe-B, Ni-Nb, Ni-Si-C-Fe, Fe-Cr-B-C, и Al₂O₃, которые нашли широкое применение на различных предприятиях в Украине, странах СНГ и за рубежом.

Ключевые слова: детонационное напыление покрытий, скорость и температура частиц, условия формирования слоя, свойства покрытий.

Abstract

E.A. Astakhov. Science and technology principles for controlling properties of detonation coatings. - Manuscript.

Thesis for the Doctor of Technical Sciences Degree in speciality 05.03.06 “Welding and Related Technologies” - E.O.Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2005.

The thesis is dedicated to development of the system approach to control of quality of detonation coatings, including such stages as selection of characteristics of a powder and composition of a working gas mixture, formation of the gas-powder mixture, regulation of parameters of the pulsed two-phase flow, creation of required conditions to provide contact interaction in formation of a coating depending upon the type of a spray material, and ensuring of the assigned service properties of a sprayed layer.

Systems intended for gas distribution and mixing of the working gas mixture components, dispensing and feeding of a spray powder, formation of the directed two-phase gas flow, protection from backfire, control, regulation and on-line diagnostics of the technological process were developed on the basis of new science, technology and design solutions. The integrated approach to building of an industrial automated complex (IAC) for deposition of heterofunctional coatings is suggested.

Industrial equipment and a package of technological processes were made available for deposition of coatings of WC-Co, amorphising alloys Fe-B, Ni-Nb, Ni-Si-C-Fe, Fe-Cr-B-C and Al₂O₃, which found wide application at different enterprises of Ukraine, other CIS countries and abroad.

Key words: detonation spraying of coatings, velocity and temperature of particles, layer formation conditions, properties of coatings.

1. Загальна характеристика роботи

детонаційний напилювання промисловий

Актуальність теми. Розвиток сучасної техніки, підвищення надійності і довговічності машин і механізмів, збільшення продуктивності устаткування значною мірою залежать від розробки і практичного застосування різних типів захисних покриттів. При цьому можливе створення виробів з унікальним поєднанням властивостей, недосяжним при використанні традиційних конструкційних матеріалів.

Одним з перспективних способів, що дозволяють вирішувати проблеми високотемпературної корозії і зносу в промисловій енергетиці, авіа-, авто- та турбобудуванні, нафтохімії, металургії та в інших галузях промисловості, є детонаційне напилювання (ДН). До його переваг необхідно віднести високу міцність зчеплення (100...180 МПа), високу щільність (пористість менше 1 %), можливість нанесення практично всіх матеріалів на будь-які основи без зміни властивостей їх матеріалу.

Високі експлуатаційні властивості покриттів, що одержують методом ДН, дозволяють радикально (у 5...10, а в деяких випадках у 20...30 разів) підвищувати ресурс роботи вузлів і механізмів.

У даний час назріла необхідність узагальнення і аналізу накопиченого теоретичного та експериментального матеріалу для створення наукових основ процесу детонаційного напилювання покриттів (ПДНП), що забезпечують керування їх властивостями, розробки необхідних для цих цілей промислового устаткування і технологій напилювання покриттів різного призначення.

Дисертаційна робота виконувалася в 1978-2003 рр. в рамках Державної науково-технічної програми “Нероз'ємні з'єднання і покриття нових конструкційних матеріалів” (шифр проблеми 0.72.01) і у відповідності з планами Відомчого замовлення Національної академії наук України (НАНУ): 1.6.1.73.10. (номер Державної реєстрації 01910044563); 1.6.1.73.6.96 (0197U14747); 1.6.1.73.8.200 (0100U006432), а також за окремими госпдоговорами і контрактами з вітчизняними та зарубіжними замовниками.

Мета і задачі роботи. Метою роботи є розробка системного підходу до керування процесом детонаційного напилювання і властивостями покриттів у залежності від типу матеріалу і на його основі розробка та освоєння промислових технологій напилювання функціональних покриттів і устаткування для їх реалізації. Відповідно до поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- провести аналіз і узагальнення наявних результатів досліджень по оцінці впливу різних факторів при газотермічному напилюванні (ГТН) на структуру і властивості напилюваних покриттів і обґрунтувати можливість підвищення рівня і стабільності властивостей детонаційних покриттів (ДП) за рахунок застосування комплексу нових технологічних і конструкторських рішень;

- розробити системний підхід до керування властивостями ДП протягом всіх основних етапів технології детонаційного напилювання;

- визначити діапазон концентраційних співвідношень інгредієнтів детонаційної суміші, що забезпечують стійке протікання процесу детонації, у тому числі при використанні пропан-бутану в якості пальної складової суміші;

- на основі теоретичних розрахунків і результатів комплексного діагностування процесу ДНП дослідити газодинамічні характеристики продуктів детонації (ПД) киснево-ацетиленових і киснево-пропан-бутанових сумішей і їх вплив на енергетичні параметри часток напилюваного матеріалу при роботі установок в автоматичному режимі;

- оцінити ступінь впливу різних характеристик напилюваного порошку на якість одержуваних детонаційних покриттів;

- дослідити закономірності формування структури і властивості детонаційних покриттів при напилюванні порошків з матеріалів різного типу (WC-Co, оксидних керамік, сплавів що аморфізуються, композиційних порошків) і визначити способи керування якістю одержуваних покриттів;

- розробити принцип і конструкцію системи подачі порошку при ДН із керуванням розміром дози і місцем розташування точки подачі;

- розробити та освоїти промислові технології ДН функціональних покриттів різного призначення і устаткування для їх реалізації.

Об'єкт дослідження - функціональні захисні покриття, одержувані методом ДН з використанням порошків із матеріалів різного типу.

Предмет дослідження - закономірності процесів детонаційного напилювання і формування структури покриттів різного складу, способи керування властивостями покриттів.

Методи дослідження - використані комплексні методи дослідження структури, фазового та хімічного складу порошків і покриттів із них, що включають металографію, мікродюрометрію, рентгеноструктурний фазовий аналіз, диференціальний термічний аналіз, хімічний аналіз, методи дослідження міцності зчеплення покриттів з основою, зносу, корозійної стійкості, механічних властивостей покриттів, а також розроблених оригінальних методик для діагностики двофазного потоку при напиленні.

Наукова новизна. Науково обґрунтовані та експериментально підтверджені основні умови необхідні для формування детонаційних покриттів з підвищеною адгезійною і когезійною міцністю (до 180 МПа), низькою пористістю (0,2…1,0 %) і високими фізико-механічними та експлуатаційними властивостями з різних класів порошкових матеріалів. В результаті аналізу умов формування детонаційного покриття встановлено, що у зв'язку з основною відмінністю детонаційного напилення від плазмового і газополуменевого методів - високою швидкістю (400...1250 м/с) і відповідно високою кінетичною енергією напилюваних часток - величина напірного тиску при формуванні шару покриття досягає рівня тисків, що застосовуються у процесах гарячого динамічного пресування виробів (5…15 ГН/м²). Це дозволяє формувати шар покриття в умовах детонаційного напилення з часток матеріалу нагрітого до високопластичного стану без необхідності досягнення стадії плавлення. Відповідно до цього матеріали, що застосовуються для детонаційного напилення, за ознакою необхідного ступеня нагрівання часток напилюваного порошку запропоновано розділяти на 2-і основні групи: 1) метали, сплави і кермети з металевою зв'язкою (наприклад, WC-Co), з яких можливе формування детонаційного покриття при нагріванні до 0,8…0,9Т_пл. і прискоренні до 400...1250 м/с, що дозволяє знизити негативний вплив високих температур (розклад, окислення і т.п.); 2) оксиди, безкисневі тугоплавкі сполуки, а також сплави, що шляхом загартування з рідкого стану утворюють покриття з метастабільною структурою (аморфною, квазікристалічною і т.п.), де необхідне нагрівання часток порошку до стадії плавлення.

Розроблено системний підхід до керування якістю ДП, що включає етапи вибору характеристик порошку і складу робочої газової суміші, формування газопорошкової суміші, регулювання параметрів імпульсного двофазного потоку, забезпечення необхідних умов контактної взаємодії при формуванні покриття, котрі зв'язуються з типом напилюваного матеріалу і заданими службовими властивостями напиленого шару.

Виконано оцінку газодинамічних параметрів при детонації газових сумішей, встановлені концентраційні співвідношення інгредієнтів детонаційних сумішей, що забезпечують стійке протікання процесу детонації у стволі установки для нанесення покриттів і досліджено їх вплив на енергетичні параметри часток напилюваного матеріалу при роботі установок в автоматичному режимі; обґрунтована заміна горючого газу ацетилену на пропан-бутан і експериментально підтверджено збереження при цьому якості напилюваних покриттів і підвищення рівня безпеки процесу напилення.

Експериментально доведено, що структура і властивості покриттів WC-Co залежать в однаковій мірі, як від технологічних параметрів напилення (складу детонаційної суміші, розміру напилюваних часток, величини дози на цикл, довжини ствола і місця перебування в ньому дози порошку), так і способу підготовки вихідного матеріалу (механічна суміш, спечений і розмелений порошок, конгломерований, плакований і т.д.). Вивчено вплив способу введення порошку (поперечне, осьове, імпульсне, безперервне) на забезпечення стабільної щільності газопорошкової суміші по довжині ствола. Встановлено, що для досягнення максимальної міцності зчеплення з основою сприятливим при застосуванні ацетилену є співвідношення окислювача до пального - 1,2:1,0, а при використанні пропан-бутану - 3,5:1,0. Додавання до 30 % азоту приводить до поліпшення якості покриттів.

Вивчено процес теплопереносу при формуванні ДП з аморфною структурою, що враховує взаємодію часток з основою в часових інтервалах дії імпульсного і напірного тиску. Показано, що основними факторами, котрі забезпечують аморфізацію покриттів, є забезпечення мінімальної (не більше 5...10 мкм) товщини напилених часток, збереження хімічного складу напилюваного матеріалу, обмеження рівня нагрівання основи і нарощуваних шарів у процесі формування покриття. Встановлено підвищення міцності зчеплення покриттів з основою, витривалості основи, зносо- і корозійної стійкості покриття з підвищенням вмісту в них АФ. Так, при збільшенні АФ від 40 до 80 % міцність зчеплення покриття з основою збільшується в 1,7; границя витривалості - на 10...30 %, зносостійкість при газоабразивному зношувані зростає в 2...3 рази; корозійна стійкість - не менш ніж у 5 разів.

Встановлено, що властивості оксидних покриттів знаходяться в прямій залежності від температури часток у момент формування шару покриття. Максимальна міцність зчеплення (40...45 МПа) відповідає режимові, при якому нагрів часток відповідає температурі їх плавлення. При цьому шар на границі з основою містить метастабільну -фазу, що відрізняється більш високою хімічною активністю в порівнянні з -фазою, що важливо для розвитку контактної взаємодії з оксидною плівкою на поверхні основи. Формування -фази більш активно відбувається при різкому охолодженні розплаву. Збільшення вмісту -фази в наступних шарах, що забезпечує підвищення їх зносостійкості у 3...5 разів, вимагає зниження швидкості охолодження розплаву, що досягається збільшенням у 1,5...2,0 рази товщини наступних шарів за цикл.

Вперше розроблені системи оперативної діагностики та оцінки якості технологічного процесу ДНП, що забезпечують стабільність властивостей напилюваних покриттів на виробах.

Практична цінність. Розроблені та освоєні новий спосіб ДНП і пристрої для його реалізації, що забезпечують збереження заданої концентрації інгредієнтів детонаційної суміші і підвищення фізико-механічних властивостей напилюваних покриттів.

На основі нових науково-технічних і конструкторських рішень розроблені системи газорозподілу і змішування компонентів робочої газової суміші, дозування і подачі напилюваного порошку; формування спрямованого руху двофазного газового потоку; захисту від зворотних ударів; керування, регулювання процесом і оперативною діагностикою технологічного процесу. Запропонований комплексний підхід до створення промислового автоматизованого детонаційного комплексу (АДК) для нанесення покриттів різного функціонального призначення.

Вперше досліджена можливість напилення детонаційних покриттів із порошків, отриманих розмелом відходів твердосплавних пластин металорізального інструменту в дезінтеграторі, і вироблені рекомендації з їх застосування.

Результати виконаних автором і при його участі досліджень використані при створенні АДК "Прометей" і "Перун-С", дослідно-промисловий випуск яких організований на ВО "Галс" (м. Виборг, РФ) і НВО "Оргтехавтоматизація" (м. Сімферополь, Україна).

Створено виробничі ділянки ДНП в: НВО "Маяк", м. Київ, Україна; ПСО "Південрибсудноремонт", м. Севастополь, Україна; НВО "Оргтехавтоматизація", м. Сімферополь, Україна; Казанській філії НДІД, м. Казань, РФ; Управлінні нафтопроводу „Дружба”, м. Рівне, Україна; Вітковицькому металургійному комбінаті, м. Острава, Словаччина; фірмі "Scancoafing", м. Таммісаарі, Фінляндія.

АДК "Перун-С" використовується при виконанні науково-дослідних робіт у ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України, м. Київ; ІНМ НАН України, Інституті термоелектрики НАН України, м. Чернівці; Технічному університеті, м. Таллінн, Естонія; Технічному університеті, м. Тампере, Фінляндія.

Розроблено і випущено технічне завдання на виробничу ділянку для ДНП.

Особистий внесок автора в одержанні наукових результатів, приведених у дисертації, полягає в обґрунтуванні загальної концепції роботи, мети і задач досліджень; виборі об'єктів; розробці методик для їх дослідження; особистій участі у плануванні і проведенні експериментів; розробці технологічних режимів ДНП, в організації і проведенні їх апробування і широкого впровадження у виробництво; в узагальненні наукових і практичних результатів, отриманих автором разом зі співробітниками ІЕЗ ім. Є.О. Патона, вітчизняними і закордонними організаціями - замовниками.

Авторові належать основні положення новизни і загальні висновки по дисертаційній роботі. Наукові і практичні результати дисертаційної роботи, представленої до захисту, отримані автором самостійно або у співавторстві відповідно до основних публікацій, у яких особисто авторові належать: розробка системного підходу до керування якістю ДП; визначення і дослідження факторів, що впливають на умови формування покриттів, їх оптимізація і розробка на їх основі фізичних і технологічних основ методу ДНП; дослідження фазових, поліморфних і структурних змін при ДН у напилюваних матеріалах WC-Co, сплавах що аморфізуються Fe-B, Ni-Nb, Ni-Fe-Cr-B-Si-C і Al₂O₃; встановлення закономірностей впливу на них технологічних параметрів процесу, режиму ТО, способу підготовки вихідного матеріалу, і змін при цьому властивостей покриттів; проведення експериментальних досліджень механізму пластичної деформації на границі “покриття-основа”, встановлення залежностей утворення міцного зчеплення покриття з основою від енергетичного стану часток у момент формування шару; узагальнення і аналіз результатів, оцінка впливу покриттів з WC-Co, сплавів що аморфізуються і Al₂O₃ на границю витривалості, пластичність, ударну в'язкість сталі 45, нержавіючої сталі ОХ18Н10Т и титанових сплавів; проведення досліджень їх антифрикційних, корозійних властивостей, розробка рекомендацій використання ДП у реальних вузлах тертя; обґрунтування вимог до основних вузлів і систем детонаційного устаткування, програмного напилення покриттів; розробка способу і пристроїв систем діагностування технологічного процесу напилення і виявлення макродефектів у шарі покриття в процесі його напилення; рішення технічних питань при впровадженні розроблених технологій у виробництво.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на міжнародних і всесоюзних конференціях і симпозіумах. Основні з них:

науково-технічна конференція країн-членів РЕВ і СФРЮ "Современное оборудование и технологические процессы для восстановления изношенных машин. Ремдеталь-83" (Київ, 1983 р.); міжнародний симпозіум "Plasma-Technik Symposium" (Люцерна, Швейцарія, 1988 р.); міжнародна конференція "Новые процессы и оборудование для газотермических и вакуумных покрытий” (Київ, 1988 р.); міжнародна конференція "Practical Application of the Latest Technological Routes in Thermal Spraying" (Ostrava, CSFR, 1991 р.); міжнародні конференції по газотермічному напиленню (Кобе, Японія, 1996 р.); „Сварка и родственные технологии в ХХІ век" (Київ, 1998 р.); "Пленки и покрытия" (Санкт-Петербург, РФ, 1998, 2000 рр.); ІІІ Міжнародна конференція „Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, использование экологически чистых технологий производства и утилизация изделий” (Кацивелі, Україна, 13-17 вересня 2004 р.); Всесоюзні наради по жаростійким покриттям - VI (Ленінград, 1973 р.), VII (Калінін, 1975 р.), VIII (Тула, 1977 р.), IX (Запорожжя, 1979 р.), X (Ленінград, 1981 р.); семінари по дифузійному насиченню і покриттям при ОФТПМ НАН України; Всесоюзна нарада "Новые методы нанесения покрытий напылением" (Ворошиловград, 1976 р.); науково-технічні конференції: "Композиционные покрытия" (Житомир, 1985 р.), "Применение плазменных процессов и порошковых покрытий в промышленности" (Свердловськ, 1988 р.), "Теория и практика газотермического нанесения покрытий" (Дмитров, 1989 р.), "Новые процессы и оборудование для нанесения покрытий" (Севастополь, 1990 р.), а також інші Всесоюзні, республіканські і галузеві конференції, наради і семінари.

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 173 наукових працях, з них 1 монографія (у співавторстві), 4 брошури, 77 авторських свідоцтв СРСР, патенти: 2 - США, 2 - Франції, 2 - Швейцарії, 8 - Японії, 10 - ФРН.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 7 розділів, основних висновків, викладена на 280 стор. машинописного тексту, крім того містить 113 рисунків, 41 таблицю, список літературних джерел, що включає 369 найменувань, і додатків, що підтверджують широке практичне впровадження розроблених технологій і устаткування і їх техніко-економічну ефективність.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета роботи і визначені основні задачі, які необхідно вирішити для її виконання. Відзначено наукову новизну і практичну цінність результатів, відображено особистий внесок автора і представлені відомості про апробації результатів роботи.

У першому розділі поданий аналіз закономірностей формування структури газотермічних покриттів із матеріалів різних класів у залежності від методу напилення, типів застосовуваного устаткування і технологічних параметрів напилення, розміру, форми і внутрішньої структури часток напилюваного матеріалу.

Основу сучасної теорії формування газотермічних покриттів складають роботи розпочаті в ІМЕТ ім. А.А. Байкова під керівництвом академіка Н.І. Рикаліна, М.Х. Шоршоровим, В.В. Кудіновим, Ю.А. Харламовим і продовжені В.І. Похмурським, Ю.С. Борисовим, І.Л. Купріяновим та ін.

Аналіз результатів виконаних досліджень показує, що структура покриттів, отриманих різними методами ГТН, крім ряду загальних ознак, обумовлених природою як самого процесу напилення, так і використовуваного матеріалу (шаруватість, дискретність, неоднорідний характер структури покриттів, наявність у них пір і оксидних включень, різного роду границь) має й істотні відмінності, пов'язані з технологічними особливостями процесу. До них у першу чергу варто віднести розходження в ступені окислення напилюваного матеріалу, у фазовому складі, властивостях шару, що формується, зміні механічних властивостей матеріалу основи.

У цьому аспекті зрозуміла тенденція розвитку процесів напилення, що використовують надзвукові газові струмені (детонаційний, надзвуковий плазмовий, надзвуковий газополуменевий), що забезпечують підвищення кінетичної енергії часток напилюваного матеріалу і поліпшення, за рахунок цього, умов формування шару покриття і його властивостей.

Розглянуто етапи розвитку і промислового освоєння вітчизняного напрямку ДН, у якому широко використані результати наукових досліджень Ю.А. Харламова, М.Х. Шоршорова, А.І. Долматова, В.С. Клименка, Т.П. Гавриленка, В.Ю. Ульяницького, А.П. Гарди, А.І. Звєрєва, Ю.П. Федька, В.Х. Кадирова, В.Н. Гольдфайна, С.Ю. Шаривкера, А.Н. Краснова, Л. І. Калініна, Т.П. Шмирьової та ін.

Більша частина цих досліджень присвячена вивченню властивостей одержуваних покриттів без обговорення їх зв'язку з умовами процесу. Роботи ж, що стосуються експериментів по оцінці значущості різних факторів для структури і властивостей напилених покриттів, нечисленні і не є комплексними, тобто приділена увага тільки одному або декільком факторам.

У зв'язку з цим виникає необхідність розробки системного підходу до керування процесом ДН і властивостями покриттів у залежності від типу матеріалу, що стало метою даної роботи.

Другий розділ присвячений опису характеристик об'єктів дослідження, розроблених і використовуваних методик для рішення поставлених у даній роботі задач. Покриття напилялися на АДК “Прометей” і “Перун-С”.

Однією з основних задач роботи була експериментальна оцінка теплообміну і динаміки руху часток напилюваних матеріалів при взаємодії їх з продуктами детонації.

Принцип вимірювання швидкості ПД полягав у визначенні часу проходження високотемпературним газовим потоком відстані між двома датчиками електропровідності. Один датчик розташовувався на зрізі ствола, а інший - всередині ствола на відстані 200 мм від першого.

Для визначення температури ПД використовували термометри опору, чуттєвим елементом яких були тонкі вольфрамові дротики, підключені через юстировочні опори до джерела постійної напруги.

Зміна їх електричного опору в результаті нагрівання чуттєвих елементів ПД викликало спадання напруги на них.

Для реєстрації положення порошкової хмари в потоці ПД і вимірювання швидкості її руху використані фотодатчики, що реєструють зміни сили світлового випромінювання від високотемпературного газового потоку і введених у нього часток порошку.

Для вимірювання швидкості руху часток порошку використовувалася схема, що складається з двох фотодіодів, встановлених: один - на зрізі ствола, а другий - всередині ствола на відстані 100 мм від першого.

По величині зміни питомого опору зразка з фольги титана розміром 2050,08 мм при впливі на нього високотемпературних ПД і нагрітих часток розраховувалася температура його нагрівання, а з рівняння теплового балансу - температура напилюваних часток.

При проведенні дослідження структури і фазового складу напилюваних порошків і ДП застосовували комплексну методику, що включає металографію, мікродюрометрію, рентгенострук-турний фазовий аналіз, рентгеноспектральний мікроаналіз, диференціальний термічний аналіз, хімічний аналіз.

Для металографічного аналізу використовували мікроскоп "Neophot-32".

Вимірювання мікротвердості проводили на приладі М-400 фірми “Leco”, з урахуванням рекомендацій по вибору навантаження, часу навантаження і витримки під навантаженням.

Рентгеноструктурний фазовий аналіз досліджуваних об'єктів здійснювали на дифрактометрах ДРОН-УМ1 і ДРОН-3.0 відповідно до методик.

За допомогою скануючого електронного мікроскопа JSM-840 фірми “Jеоl” досліджували зовнішній вигляд порошків, а також проводили аналіз зображення в характеристичному випромінюванні елементів, що входять до складу покриття. Хімічний склад структурних складових покриттів визначали методом РСМА на мікроаналізаторі фірми "Камебакс" SX-50.

Склад порошків контролювали методом хімічного аналізу. Вміст кисню визначали в газо-аналізаторі RO-316 фірми “Leco” методом відно-влюючого плавлення в потоці газу-носія азоту.

Оцінку залишкових напружень І роду в досліджуваних покриттях визначали по зміні прогину зразка при пошаровому витравленні поверхневого шару електрохімічним методом на установках типу НІ-1 конструкції ІПМ НАН України. Для дослідження використовували два типи зразків з розмірами 120124 мм і 16103 мм.

Міцність зчеплення покриттів з основою визначали за методикою конічного штифта.

Випробовування на границю витривалості зразків зі сталі 45, нержавіючої сталі ОХ18Н10Т, титанових сплавів з покриттям з WC-Co і Al₂O₃ проводили на гладких зразках з діаметром робочої частини 6 мм в умовах консольного вигину при обертанні зі швидкістю 3000 хв^-1. База випробовувань складала 10⁷ циклів.

Зразки зі сталі 45 з покриттями із Al₂O₃ додатково підлягали прискореним випробовуванням (ДСТ 19533-74) при знакозмінному консольному вигині з обертанням на машинах УКІ-10М, а зразки зі сталі 45 з аморфізованими покриттями - при вигині з обертанням на установці Schenck типу “РUNN” фірми “Шеню”.

Антифрикційні властивості покриттів з WC-Co, Al₂O₃ випробували на машині п'яткового тертя конструкції ЛПІ (за типом машини проф. Зайцева А. К.). Тертя на цій машині здійснюється між торцями кільця Ш 52/32, h - 8 мм і трьох стовпчиків Ш 5 і h - 14 мм, встановлених у спеціальну шайбу. Швидкість тертя - 0,2 мк, питомий тиск - до 50 МПа. Мастилом служила проточна вода і веретенна олія, окремі досліди проводилися також насухо, без змащування.

Знос зразків заміряли на вертикальному компараторі ІЗВ-2 з точністю 0,1 мкм після приробляння і після кожного кілометра шляху тертя. Оцінка зносу здійснювалася по величині його інтенсивності _h, а також відносному критерієві зносу:

або , (1)

де V - об'єм зношеного матеріалу; N - нормальне навантаження;

L - шлях тертя; g - питомий тиск; h - лінійний знос.

Тріботехнічні випробовування аморфізованих покриттів проводили в умовах з обмеженим змащуванням і без змащування по схемах: “диск із покриттям - колодка”, “циліндр - кільце”, “диск - площина” (методика Амслера).

Дослідження електрохімічної поведінки і корозійної стійкості покриттів проводили потенціостатичним методом за допомогою потенціостата РАРС моделі 73 і П-5827М. Швидкість корозії вимірювали також ваговим методом.

В третьому розділі висвітлені питання формування і керування характери-тиками двофазної системи “детонаційна газова суміш - напилюваний порошок”.

Умови формування шару ДП із високими фізико-механічними властивостями знаходяться в прямій залежності від ефективної роботи систем установки, що визначають стабільність і надійність їх роботи в імпульсному режимі (до 10 Гц).

Запропоновано новий спосіб детонаційного напилення (спосіб запатентований у США, ФРН, Японії, Франції, Швейцарії), що забезпечує створення більш однорідного складу детонаційної суміші, що відрізняється від відомого тим, що горючі гази, наприклад, кисень і ацетилен, подаються в камеру згоряння у виді суміші безупинно в стаціонарному режимі витікання, а періодичність процесу і відсутність контакту пальної газової суміші з ПД досягається за рахунок періодичної подачі нейтрального газу (азоту, аргону) у проміжках між подачею порошкоподібного матеріалу і запаленням газової суміші. При цьому за рахунок перевищення в 2,5-3,0 рази тиску азоту продувки в порівнянні з тиском подачі робочих газів відбувається їх запирання.

Двокамерне змішування робочих газів у розробленому блоці приготування суміші і захисту дозволило одержати більш однорідну трикомпонентну суміш, а збільшення поверхні пористого фільтра знизило гідравлічний опір газових магістралей.

Розробка електро-газорозподільчого комутуючого блоку значно спростила подачу детонаційної суміші, напилюваного порошку та ініціювання суміші в камері згоряння і дозволила підвищити скорострільність до 6 Гц.

Наявність у кожній з магістралей робочих середовищ високоточних регуляторів перепаду тисків дозволило стабілізувати вихідні параметри газових потоків незалежно від змін таких на їх вході і падіння тиску в балонах та забезпечило можливість одержання покриттів з постійними і високими експлуатаційними властивостями.

Найважливішим фактором у формуванні системи “детонаційна суміш - напилюваний порошок” є спосіб його подачі у ствол установки. Розроблено пристрої і досліджені їх характеристики при поперечній і осьовій подачі порошку в імпульсному або безперервному режимі роботи.

В імпульсному живильнику порція порошку, що вдувається, формується імпульсом транспортуючого газу в зазорі h між трубопроводами 2 і 4, що мають розходження в діаметрі. Витрата цього газу 3-4 % від загальної витрати горючих газів, що не впливає на характеристики горіння і детонації суміші.

Зіставлення витратних характеристик і властивостей (щільності, дисперсності, питомої поверхні, насипної маси, газопроникності шару) для порошків нікелю, твердих сплавів, оксиду алюмінію показало, що кореляція має місце лише між витратою порошку і добутком його щільності на розмір часток і переріз зазору. Висота стовпа порошку Н визначає об'єм газу і кількість порошку, що після газового імпульсу знаходиться над зазором у зваженому стані, що є необхідною умовою для стабільної роботи живильника.

При імпульсній поперечній подачі введення порошку в заданий час і необхідну зону ствола забезпечується циклограмою циклу, але при цьому напрямок введення порошку не збігається з напрямком його руху при прискоренні, що приводить до налипання часток на ствол, їх конгломеруванню і вимагає додаткових операцій для вирівнювання концентрації по перерізу і довжині ствола.

Цей недолік усувається при осьовій подачі в безперервному режимі, що забезпечує рівномірну концентрацію по довжині і перерізові ствола. Однак при цьому доза порошку розтягується в довгу хмару уздовж ствола, у якому оптимальні умови для формування покриття здобуває лише центральна частина часток порошку і як наслідок виникає розходження властивостей по товщині шару.

Осьова подача в імпульсному режимі дозволила уникнути перебування порошку на початку і кінці стовбура і вирівняла властивості покриття по товщині шару.

Для визначення кількості порошку, довжини і місця перебування порошкової хмари в каналі стволу в момент ініціювання суміші розроблений і застосований пристрій контролю наявності порошку в ПД., принцип котрого заснований на явищі збільшення інтенсивності світлового випромінювання від ПД, що фіксується фотодатчиком у випадку наявності в ньому нагрітих часток порошку.

В четвертому розділі приведені розрахунки та експериментальні дані газодинамічних параметрів детонаційних сумішей і ПД, встановлені залежності ступеня нагрівання і прискорення часток порошку напилюваного матеріалу від технологічних параметрів процесу.

Розрахунки, виконані при використанні рівнянь збереження маси, кількості руху й умов Жуге - рівності швидкості детонації сумі швидкостей руху згорілого газу і проходження звуку в ньому, вказують на можливість використання для ДНП пропан-бутан-кисневих сумішей замість ацетилен-кисневих. З погляду динамічного впливу на частки напилюваного матеріалу пропан-кисневі суміші мають навіть перевагу, тому що їх швидкісний напір по абсолютній величині на 20-25 % вищий.

Таблиця 1. Залежність часу витікання продуктів детонації від геометричних розмірів камери згоряння

Характеристики ствола установки	Час витікання продуктів детонації, мс
	C2H2+O2	C3H8+3,5O2
довжина - 300 мм; діаметр - 15 мм	1,50…2,00	1,50…2,00
довжина - 600 мм; діаметр - 20 мм	2,75…3,25	2,50…3,00
довжина - 1200 мм; діаметр - 20 мм	5,25…5,75	5,00…5,50
довжина - 1200 мм; діаметр - 32 мм	2,75…3,25	-

По виду і формі одержуваних осцилограм від фотодатчика, встановленого на зрізі ствола, і графічних залежностей, представлених на рис. 5, встановлено, що при неповному заповненні ствола сумішшю на 40 % і менше час витікання ПД не змінюється; при більшому неповному заповненні ствола він зменшується.

З отриманої залежності U_ng=(_u) випливає, що максимальною швидкістю володіють ПД, що витікають із ствола відразу ж за детонаційною хвилею, а потім швидкість потоку знижується. Зменшення довжини ствола інтенсифікує це зниження.

Характер зміни функції T_ng = f(_u) свідчить, що температура ПД, що рухаються безпосередньо за фронтом детонаційної хвилі, має максимальну величину, що зменшується в процесі їх витікання із ствола. Зареєстровано підвищення температури ПД у випадку збільшення вмісту кисню в суміші, а розбавлення її азотом приводить до зниження температури.

Зниження температури ПД спостерігається також при переході від ацетилен-кисневої суміші до пропан-бутан-кисневої.

Використання фотодатчика для реєстрації спектра швидкостей польоту часток порошку при ДН значно спростило методику вимірювання і дозволило визначати їх швидкість і оцінювати кількість порошку по довжині двофазного потоку.

Результати вимірювання швидкості часток порошку в залежності від технологічних параметрів напилення, приведені на рис. 9-10, свідчать, що зміна положення порошкової хмари в стволі в момент ініціювання підпалу суміші шляхом збільшення часу попередження від 50 до 200 мс веде до підвищення швидкості основної маси порошку від 300 до 750…1000 м/с, а збільшення вмісту кисню в детонаційній суміші, також як і розбавлення її азотом, викликає зменшення швидкості часток.

Аналіз отриманих даних підтверджує, що на шляху прискорення (глибина завантаження ?220 мм) швидкість часток визначається тільки їх місцем у двофазному потоці, тобто - віддаленістю від фронту детонаційної хвилі. При цьому всі визначені величини швидкостей практично укладаються на одну криву (А), що відображає зміну швидкості двофазного потоку за фронтом детонаційної хвилі.

Порівняння приведених кривих показує, що прискорення часток більш легкого оксиду титана відбувається ефективніше, ніж часток сплаву Fe-B, і виражається у зсуві кривої розподілу порошку в двофазному потоці у бік великих швидкостей часток і менших часів польоту.

Розглянуті фактори дозволили для кількісної діагностики двофазного потоку, що формується у стволі установки, фіксувати тільки розподіл порошку в потоці, тобто реєструвати зміну сигналу тільки від одного фотодатчика. Аналіз кривої сигналу дозволяє судити про швидкість порошку по його місцю в двофазному потоці, а форми осцилограми - про протяжність порошкової хмари і відносний розподіл в ньому часток порошку.

Вплив складу детонаційної суміші на нагрівання напилюваного матеріалу оцінювали як на теплопровідному (Ni), так і на мало теплопровідному (Al₂O₃) матеріалах у залежності від складу детонаційної суміші, дистанції напилення, дисперсності порошку і ступеня заповнення ствола.

Встановлено, що зменшення вмісту кисню в ацетилен-кисневій суміші, розведення її азотом, збільшення дистанції напилення і ступеня заповнення ствола понад 50 % приводить до зниження температури нагрівання часток напилюваного матеріалу.

Приведені значення U_ч і Т_ч при різних технологічних режимах напилення.

В п'ятому розділі висвітлені системний підхід і схема керування умовами формування шару ДП і розглянуті:

- результати теоретичних і експериментальних досліджень особливостей деформації часток при ударі, утворення фізичного контакту, вибір оптимального мікрорельєфу поверхні;

- оцінка параметрів термічного циклу в контакті між напилюваною часткою і основою при детонаційному напиленні;

- встановлення основних факторів, що впливають на кінетику і механізм взаємодії напилюваних часток з основою та між собою;

- виявлення розходжень у технологічних параметрах напилення покриттів у залежності від характеристики напилюваного матеріалу.

Дискретність процесу ДНП дозволяє систематизувати і згрупувати фактори, що є вирішальними на різних етапах напилення.

Можна виділити три основних етапи технології напилення детонаційних покриттів. Перший етап - підготовчий. Він містить у собі операції по заповненню ствола вибуховою сумішшю і порошком напилюваного матеріалу. Підготовчий етап завершується в момент ініціювання детонації газової суміші. На другому етапі відбувається передача теплової і кінетичної енергії продуктів детонації газової суміші часткам порошку напилюваного матеріалу при їх русі в стволі і на ділянці між напилюваною поверхнею і дуловим зрізом ствола. Третій етап - формування детонаційного покриття на основі.

Визначальними факторами першого етапу є: склад використовуваної детонаційної газової суміші, ступінь заповнення нею ствола, величина порції порошку, його гранулометричний склад, форма часток, місцезнаходження і концентрація порошкової хмари в стволі в момент ініціювання детонації, відстань від зрізу ствола до основи. Ця група факторів є технологічними параметрами процесу напилення. Не менш важливі на першому етапі конструктивні особливості і параметри самої детонаційної установки: розміри і форма ствола, місце ініціювання суміші, спосіб транспортування і місце введення порошку в ствол, скорострільність установки.

Вирішальні фактори другого етапу - енергетичні характеристики ПД і часток порошку напилюваного матеріалу, тобто, їх температура і швидкість, а також тиск і щільність газу, час перебування порошку у високотемпературному потоці.

На третьому етапі процесу ДНП ведучу роль здобувають фактори, від яких в остаточному підсумку залежить число зв'язків, що утворяться, між взаємодіючими матеріалами в місці їхнього контакту на границі покриття з основи. Це, зокрема, такі характеристики, як температура і тиск у зоні проходження фізико-хімічних процесів між контактуючими матеріалами, тривалість цих процесів.

Крім приведених факторів велике значення на всіх етапах детонаційного напилення мають фізичні характеристики матеріалу покриття, а на третьому етапі - характеристики матеріалу основи.

Приймаючи, що тривалість витікання двофазного потоку при ДН складає не більше 510^-3 с і оптимальна разова доза порошку 0,25 г, виправдано припустити індивідуальність деформації і застигання кожної частки.

Взаємна незалежність поведінки часток на основі істотно полегшує аналіз процесу формування ДП, практично зводячи його до розгляду теплофізичних і фізико-хімічних явищ при ударі і деформації.

Для ДН типовий випадок, коли при зіткненні відбувається деформація як самої частки, так і матеріалу основи. У момент зустрічі (при швидкостях руху часток 500...1000 м/с) матеріал основи перетерплює безперервну пластичну деформацію. Експериментально зафіксована зміна мікрорельєфу поверхні титанової основи при ДН на неї нікелю (покриття видалялося з поверхні травленням).

Аналіз профілограм показав, що має місце пошкодження поверхні двох видів: мікрошорсткість і хвилястість. Максимальна величина мікронерівностей (1,4 мкм) на порядок менша за розмір напилюваних часток. Це можна розглядати як підтвердження спільної пластичної деформації часток і напилюваної поверхні, що супроводжується утворенням хвиль на контактній поверхні. Хвилястість виникає лише в зоні де було сформоване покриття. Крок хвилі виявився рівним приблизно 8,5 мм при висоті хвилі 6,2 мкм. Максимум значення мікронерівностей (а значить, амплітуди і довжини хвилі, що утворюється) спостерігався на відстані 8-10 мм від осі ствола, що при дистанції напилення 150 мм відповідає можливості зустрічі окремих часток (що розпочали рух по осі ствола) з поверхнею, що покривається, під кутом 4°.

Інформація про інтенсивність пластичної деформації напилюваних часток при формуванні шару покриття з матеріалу WC-Co отримана при аналізі даних провідності детонаційних покриттів. Питомий електроопір (Омм10^-7) у напрямку перпендикулярному до осі напилення складає після напилення 1,8 і 1,7; після відпалу - 4,5; а у напрямку паралельному до осі напилення складає після напилення 6,7 і 4,3, а після відпалу - 7,5 і 5,2. Величина анізотропії електропровідності напиленого шару використана для оцінки коефіцієнта деформації часток при формуванні покриття - . Виразивши коефіцієнт деформації через відношення величин питомого електроопору в напрямках паралельному і перпендикулярному до осі напилення, одержали, що для покриттів з WC-Co 1010², а для Al₂O₃ - 10²10³, що вказує на розходження в технологічних режимах напилення WC-Co і Al₂O₃, що забезпечують різний ступінь їх нагрівання.

При ударі об основу кінетична енергія часток змушує їх інтенсивно деформуватися і викликає тиск у зоні зіткнення. У гідродинаміці прийнято розглядати дві складові такого тиску: ударний і напірний тиск. Ударний тиск - Р_у, що виникає в початковий момент зіткнення в зоні контакту частки з основою, визначається рівнянням

(2)

де _год,_пд - щільність матеріалу часток і основи;

С_ч, С_пд - швидкість звуку в матеріалі частки і основи;

U_ч - швидкість часток.

У момент розтікання краплі тиск у плямі контакту миттєво падає до величини напірного тиску, що визначається з рівняння Бернуллі:

P_н = _год·U_ч² (3)

Результати розрахунків тисків по формулах 2 і 3 у зоні зіткнення часток Ni і W з основою з W, Fe, Cu, Ni, Ti, Al і оцінка тривалості їх дії дозволили зробити наступні висновки:

- в інтервалі швидкостей співударяння 400…1000 м/с ударний тиск змінюється в межах 10...50 ГН/м², а напірний - 5...15 ГН/м²;

- збільшення швидкості напилюваних часток скорочує розрив у значеннях ударного і напірного тисків і тим істотніше, чим вища щільність матеріалу часток;

- час дії напірного тиску приблизно на порядок перевищує тривалість дії ударного тиску, але при цьому площа, на яку він впливає, на кілька порядків вища.

Для розрахунку контактної температури використовуємо формулу Вейника:

, (4)

де - коефіцієнт акумуляції теплоти ( - теплопровідність, с - теплоємність, - щільність).

Оцінка термічного циклу в зоні контакту показала, що її розігрів та остигання при ДН відбувається за 10^-7…10^-10с, що на 2...5 порядків менше за частоту зіткнення часток.

На кінцевій стадії процесу формування покриття має місце утворення зв'язків між поверхневими атомами, обумовлені квантовими процесами електронної взаємодії. Для протікання цих процесів потрібне введення в зону додаткової енергії взаємодії, що забезпечується тепловою і кінетичною енергією напилюваних часток.

...