Мікроплазмове напилення з використанням дротових матеріалів

12. Войнарович С.Г. Исследование влияния подслоев из титана и диоксида титана на прочность сцепления с основой покрытий из гидроксиапатита / Войнарович С.Г., Кислица А.Н., Кузьмич-Янчук Е.К. // Збірка тезисів V Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів ”Зварювання та суміжні технології” 27-29 травня 2009р., Київ. - С.79

13. Получение узких дорожек методом микроплазменного напыления из Ni-Cr проволоки / Кислица А.Н., Войнарович С.Г., Кузьмич-Янчук Е.К., Кислица Н. Ю. // Збірка тезисів V Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів ”Зварювання та суміжні технології” 27-29 травня 2009р., Київ. - С.94

14. Микроплазменное напыление биокерметных покрытий для эндопротезов / Гайко Г.В., Підгаєцький В. М., Борисов Ю. С., Войнарович С.Г., Кислица А.Н., Кузьмич-Янчук Е.К. // Сборник тезисов международной конференция «Материалы и покрытия в экстремальных условиях» Highmattech 2009 19-23 октября - 2009г. Киев, Украина. - С.334

15. Двухслойное биокерметное покрытие титан-гидроксиапатит / Ющенко К.А. Борисов Ю. С., Войнарович С.Г., Кузьмич-Янчук Е.К., Кислица А.Н., Гайко Г.В., Підгаєцький В. М. // Сборник трудов посвященный выполнению комплексной программы „Проблеми ресурсу безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин”- Київ, - 2009р. С.542-547

АНОТАЦІЯ

покриття нанесення напилення мікроплазмовий

Кислиця О.М. Мікроплазмове напилення з використанням дротових матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 "Зварювання та споріднені процеси і технології". - Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2010 р.

Дисертація присвячена розробці технології мікроплазмового напилення покриттів з використанням дротових матеріалів.

Розрахунково-теоретичний аналіз процесу диспергування розплаву матеріалу нейтрального дроту в умовах мікроплазмового напилення показав, що умовою відриву краплі розплаву з торця дроту є необхідна швидкість мікроплазмового струменя, яка залежить від властивостей матеріалу дроту, головним чином від величини поверхневого натягу його розплаву. Величина діаметра дроту і швидкість його подачі при МПН залежить від теплофізичних властивостей матеріалу дроту, які визначають його стабільне плавлення в зоні дуги.

Визначено ВАХ та ККД мікроплазмотрону для умов мікроплазмового напилення з дротових матеріалів. Розраховані ентальпія і температура плазмового струменя. Досліджено вплив технологічних параметрів на характер течії плазмового струменя.

Ступінь впливу різних чинників процесу розпилення дроту на величину середнього розміру частинок для різних матеріалів при диспергуванні розплаву дроту плазмовим струменем, а також на КІМ визначена із застосуванням методу планування багатофакторного експерименту. Отримано лінійні регресійні моделі, що показують вплив найбільш істотних параметрів процесу (сили струму, витрати плазмоутворюючого газу, дистанції напилення, швидкості подачі дроту) на формування струменя частинок напилюваного матеріалу і комплексу характеристик покриттів з W, NiCr і Ti.

Визначено швидкості частинок напилюваного матеріалу при МПН, які залежать від сили струму і витрати плазмоутворюючого газу і обернено пропорційні питомій вазі матеріалу, що розпилюється.

Проведено дослідження фігури металізації для МПН з використанням NiCr-дроту. Визначено розміри плями напилення та кута розкриття мікроплазмового струменя.

Показано, що у зв'язку з можливістю скорочення дистанції напилення при дротовому МПН досягається знижений вміст у покриттях оксидних і нітридних фаз.

У результаті встановлення можливості управління макропористості

Ti-покриттів при дротовому МПН, відповідності величини їх зчеплення з основою з Ti-сплаву на відрив і на зрушення, вимогам ASTM С633, а також даними випробувань цих покриттів «in-vivo», показана ефективність їх застосування при виготовленні ендопротезів різного призначення (тазостегнових, дентальних та ін.)

Ключові слова: мікроплазмове напилення, дротові матеріали, характеристики плазмотрону, структура, властивості покриттів, біосумісні Ti-покриття.

АННОТАЦИЯ

Кислица А. Н. Микроплазменное напыление с использованием проволочных материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 “ Сварка и родственные процессы и технологии ”. - Институт электросварки им. Е.О. Патона НАНУ, Киев, 2010 г.

Диссертация посвящена разработке технологии микроплазменного напыления покрытий с использованием проволочных материалов.

Установлены основные технологические особенности процесса микроплазменного напыления из проволочных материалов и определены факторы, оказывающие наибольшее влияние на процесс напыления и свойства покрытий.

Расчетно-теоретический анализ процесса диспергирования расплава материала нейтральной проволоки в условиях микроплазменного напыления показал, что условием отрыва капли расплава с торца нейтральной проволоки является необходимая скорость микроплазменной струи, которая зависит от свойств материала проволоки, главным образом от величины поверхностного натяжения ее расплава и для у = 0,914…2,3 Дж/м2 составляет 270…430 м/с. Это соответствует устанавливаемому расходу плазмообразующего газа в пределах 100…300 л/ч. Данные величины расхода плазмообразующего газа приводят к турбулентному характеру истечения плазменной струи (Re =5000…9000).

Величина диаметра проволоки и скорость её подачи в зону дуги при МПН зависит от теплофизических свойств её материала, которые определяют её стабильное плавление в зоне дуги. В случае применения проволок W, NiCr, Ti диаметр проволоки составляет 0,2…0,4 мм, а скорость подачи - 3…6 м/мин.

Определены ВАХ микроплазмотрону с выносным анодом и защитным соплом для условий микроплазменного напыления из проволочных материалов. Исследовано влияние технологических параметров на КПД плазмотрона, который достигает 73%, температура плазмы при этом достигает 17700К.

Степень влияния различных факторов процесса распыления проволоки на величину среднего размера частиц для различных материалов при диспергировании расплава проволоки плазменной струей, а также на КИМ определена с применением метода планирования многофакторного эксперимента. Математическая обработка полученных данных позволила получить линейные регрессионные модели, показывающие влияние наиболее существенных параметров процесса (силы тока, расхода плазмообразующего газа, дистанции напыления, скорости подачи проволоки) на формирование струи частиц напыляемого материала и комплекса характеристик покрытий из W, NiCr и Ti. в условиях микроплазменного напыления с использованием проволочных материалов.

Для условий микроплазменного напыления из проволочных материалов определены скорость частиц напыляемого материала, которая зависит от силы тока и расхода плазмообразующего газа и обратно пропорциональна удельному весу распыляемого материала. Скорость достигает для Ti-частиц - 75 м/сек, частиц NiCr - 70 м/сек, W-частиц - 45 м/сек.

Проведено исследование фигуры металлизации для МПН с использованием NiCr-проволоки. Установлено, что профиль фигуры металлизации описывается распределением Гаусса. Диаметр пятна напыления составляет 5…10 мм, угол раскрытия струи находится в пределах 4,6°…9,4°, что сравнимо с данными для ламинарных плазменных струй, и вероятно связано с наличием обжимающей струи защитного газа.

Показано, что в связи с возможностью сокращения дистанции напыления при проволочном МПН до 40…60 мм достигается пониженное содержание в покрытиях оксидных и нитридных фаз. Так для Ti-покрытия минимальные значения составили О2 - 0,88%, N2 - 0,57%.

В результате установления возможности управления макропористостью Ti-покрытий при проволочном МПН, соответствия величины их сцепления с основой из Ti-сплава на отрыв (25,6±4,6МПа) и на сдвиг (24,2±3,5 МПа) требованиям ASTM С633, а также данным испытаний этих покрытий «in-vivo», показана эффективность их применения при изготовлении эндопротезов различного назначения (тазобедренных, дентальных и др.).

Ключевые слова: микроплазменное напыление, проволочные материалы, характеристики плазмотрона, структура, свойства покрытий, биосовместимые Ti-покрытия.

ABSTRACT

Kyslytsya O.M. Microplasma wire spraying. - Manuscript

The thesis for a candidate of technical sciences degree in speciality 05.03.06 “Welding and Related Processes and Technologies” - E.O.Paton Electric Welding Institute, NAS of Ukraine, Kyiv, 2010

The thesis is dedicated to development of the technology for microplasma spraying of coatings by using wire consumables.

The calculation-theoretical analysis of the process of dispersion of a neutral wire material melt under microplasma spraying conditions showed that the requirement for detachment of a drop of the melt from the wire tip is achievement of a certain velocity of the microplasma jet, which depends on the properties of the wire material and, primarily, on the value of surface tension of the melt. Diameter of the wire and speed of its feeding to the arc zone during MPS depend on the thermal-physical properties of its material, which determine its stable melting within the arc zone.

Volt-ampere characteristics and efficiency of the miroplasmatron were determined for the microplasma wire spraying conditions. Enthalpy and temperature of the plasma jet were calculated. The effect of process parameters on the character of outflow of the plasma jet was studied.

The degree of impact of different factors of the wire spraying process on the average size of particles for different materials in dispersion of the wire melt by the plasma jet, as well as on the material utilization coefficient was determined by using the multifactorial experiment design. Linear regression models were developed, showing the effect of the most significant process parameters (current, plasma gas flow rate, spraying distance, wire feed speed) on formation of a jet of the spraying material particles and a set of characteristics of the W, NiCr and Ti coatings.

Velocities of the spraying material particles in MPS, which depend on the current and plasma gas flow rate and are inversely proportional to the specific weight of the spraying material, were determined.

The metalizing figure for MPS by using the NiCr wire was investigated. Sizes of the spraying spot and micrplasma jet opening angle were determined.

It was shown that a lower content of oxide and nitride phases could be achieved in a coating owing to the possibility of decreasing the spraying distance in wire MPS.

Establishing the possibility of controlling macroporosity of Ti-coatings in wire MPS and correspondence of the value of their adhesion to the Ti-alloy substrate in tensile and shear tests to the ASTM C633 requirements, as well as the data of testing these coatings “in-vivo” proved the efficiency of applying them for manufacture of various-purpose endoprostheses (hip joint, dental, etc.).

Key words: microplasma spraying, wire consumables, characteristics of plasmatron, structure, properties of coatings, biocompatible Ti-coatings

Размещено на Allbest.ru