Разработка и исследование процесса плазменного напыления однородных металлических покрытий с формированием потока частиц ультразвуковым распылением пруткового материала

Актуальность работы. Развитие современного транспорта, машинои приборостроения, а также медицинской техники и товаров народного потребления характеризуется все возрастающим применением новых конструкционных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Проблема ограниченности природных запасов большинства химических элементов, составляющих основу этих материалов, решается путем применения сложных структур, в которых основа выполнена из «обычных» легко обрабатываемых и широко распространенных компонентов, а функциональную нагрузку выполняет покрытие из материалов с заданным комплексом свойств. В настоящее время наиболее эффективными методами формирования таких покрытий являются процессы газотермического напыления, среди которых плазменное напыление можно считать наиболее универсальным и легко управляемым. Технологические преимущества плазменного напыления, заключающиеся в возможности получения из различных, в том числе и композиционных, материалов покрытий разной плотности, толщины и твердости, с требуемыми защитными, газодиффузионными и другими свойствами, реализуются благодаря работам Рыкалина Н. Н., Кудинова В. В., Харламова Ю. Н., Лясникова В. Н. и других отечественных и зарубежных ученых, заложивших научные основы формирования, технологического регулирования и исследования свойств покрытий, создания специального оборудования для напыления в воздушной, нейтральной атмосфере, и динамическом вакууме.

Однако плазменное напыление является стохастическим процессом, вследствие чего покрытия обладают существенной неоднородностью свойств. Совершенствование техники, в особенности электронного и авиационного приборостроения, создание современных авиаракетных и автомобильных двигателей, гидрои пневмоаппаратуры, медицинских изделий со специальными биомеханическими характеристиками, требует значительного повышения качества изделий с покрытиями, определяемого в большинстве случаев однородностью характеристик покрытия, которую весьма сложно достичь при использовании существующих методов напыления.

Известные методы повышения однородности отдельных характеристик покрытий путем воздействия газоразрядной плазмы, пульсаций плазменной струи, совершенствования кинематики процесса, применения экранов не решают проблемы, поскольку направленно воздействуют только на один параметр покрытия или сами являются трудно управляемыми процессами.

Исследования Клименова В. А., Бекренева Н. В., Серянова Ю. В. по воздействию ультразвука на покрытие и поверхность основы в процессе напыления показали перспективность применения этого метода для выравнивания пористой структуры и морфологии покрытия. Однако при воздействии ультразвука на поверхность основы не обеспечивается получение вполне однородных покрытий на изделиях типа газодинамических опор, дентальных имплантатов и т. д., вследствие неоднородности параметров исходных напыляемых частиц. Очевидно, что наибольший эффект может быть достигнут при формировании изначально однородного потока частиц, имеющих одинаковые размеры, одинаковую степень проплавления и близкую скорость полета. Для этой цели также можно использовать ультразвуковое воздействие, как достаточно просто управляемый и неэнергоемкий процесс. Теоретическое и экспериментальное обоснование использования ультразвука для формирования потока одинаковых по параметрам частиц при плазменном напылении в настоящее время практически не разработано. Поэтому тема диссертационной работы с учетом выше изложенного является актуальной для науки и практики.

Цель работы заключается в повышении качества металлических плазменных покрытий за счет формирования однородного потока частиц путем распыления пруткового материала, помещенного в струю плазмы, при помощи ультразвука и разработке технологического процесса напыления.

Поставленная цель достигается последовательным решением следующих задач:

1. Анализ существующих методов повышения эффективности процесса электроплазменного напыления, в том числе в ультразвуковом поле, и разработка наиболее эффективной схемы воздействия ультразвука на параметры напыляемых частиц.

2. Разработка математической модели, адекватно описывающей связь размеров частиц со свойствами материала и режимами напыления.

3. Теоретическое и экспериментальное исследование факторов, наиболее сильно влияющих на форму и размеры частиц, а также на свойства покрытия.

4. Разработка технологического процесса, обеспечивающего повышение равномерности микрорельефа и пористой структуры покрытия, а также технических предложений по созданию устройства обеспечивающего реализацию процесса на практике.

5. Внедрение результатов исследований.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Найденная закономерность образования потока одноразмерных частиц в плазменной струе при ультразвуковом воздействии позволяет формировать покрытия с минимальным разбросом параметров в зависимости от материала.

2. Полученное соотношение параметров технологического процесса электроплазменного напыления с наложением ультразвука обеспечивает заданные свойства покрытия, при этом однородность микрорельефа покрытия, оцениваемая по среднеквадратичному отклонению высоты элементов шероховатости и их шага, возрастает в 1,3 — 1,89 раза по сравнению с распылением пруткового материала и до 9 раз по сравнению с использованием для напыления порошковых материалов.

3. Предложенный способ электроплазменного напыления металлических покрытий, при котором покрытие формируют потоком частиц, образующихся путем распыления пруткового материала, расплавляемого в струе плазмы, отличается тем, что распыление осуществляют за счет сообщения ему ультразвуковых колебаний, обеспечивает уменьшение разброса параметров покрытий (дисперсия размеров частиц в потоке снижается в 2,8 раза, а агломератов — в 4,5 раза) по сравнению с напылением порошковых материалов и с газоструйным распылением прутка.

4. Найденные математические выражения позволяют адекватно установить корреляцию между размерами частиц, свойствами материала, режимами электроплазменного напыления и ультразвукового воздействия и вполне пригодны для феноменологического описания процесса.

Методы и средства исследований. При выполнении работы использованы научные основы плазменного напыления, основные положения термодинамики и теплопередачи, газоструйного и акустического распыления расплавов. Эксперименты проведены, а их результаты обработаны с применением методов математического планирования и регрессионного анализа. Использована стандартная (микроскопы МИМ-8, МИМ-7, профилограф 170 111, компьютерный анализатор изображений микроструктур АГПМ-6) и оригинальная разработанная автором аппаратура для сообщения материалу ультразвуковых колебаний и подачи его в струю плазмы. Обработка результатов на компьютере Pentium-4 выполнена с использованием программ Advanced Grapher, Regress и 3D Grapher.

Научная новизна:

1. Предложен новый способ электроплазменного напыления металлических покрытий, отличающийся тем, что распыление части пруткового материала, расплавляемого плазменной струей, осуществляют за счет сообщения прутку ультразвуковых колебаний, что позволяет уменьшить разброс параметров покрытия по сравнению с другими способами напыления.

2. Найдены оптимальные параметры процесса электроплазменного напыления, обеспечивающие формирование однородного потока частиц в струе плазмы и покрытия с минимальным разбросом параметров.

3. Предложена феноменологическая модель, адекватно описывающая физические процессы образования напыляемых частиц в плазме дугового разряда при ультразвуковом воздействии на распыляемый прутковый материал.

4. Установлено, что наибольшее влияние на размеры частиц, формирующихся в условиях ультразвукового воздействия, оказывает ток дуги плазмотрона и амплитуда ультразвуковых колебаний пруткового материала, а также расстояние от торца плазмотрона до оси прутка. Получены эмпирические зависимости, позволяющие определить влияние этих факторов на размеры частиц.

5. Показано, что при электроплазменном напылении с ультразвуковым воздействием на прутковый материал его свойства мало влияют на размеры частиц.

6. Получено математическое выражение, позволяющее определять скорость подачи материала в струю плазмы и предельную скорость плазмообразующего газа для различных напыляемых материалов.

Практическая ценность:

• Даны практические рекомендации по реализации разработанного процесса электроплазменного напыления с ультразвуковым воздействием на прутковый материал.

• Разработаны технические предложения по созданию устройства, реализующего технологический процесс электроплазменного напыления с ультразвуковым воздействием на прутковый материал.

Технологический процесс внедрен в НПА «Плазма Поволжья» на операции электроплазменного напыления системы переходных слоев от компактного титана к высокопористому покрытию на дентальных имплантатах. Плавное изменение пористости структуры и размеров агломератов за счет формирования заданных размеров частиц ультразвуковым распылением позволило увеличить адгезию биопокрытий на 10 15% и повысить ее равномерность. Из расчета выпуска 10 000 изделий в год ожидаемый годовой экономический эффект составит: 516 980 руб.

Технологический процесс и предложения по созданию ультразвукового устройства подачи могут быть внедрены в ОАО НИТИ-Тесар при изготовлении устройств специального оборудования для повышения их износостойкости.

Материалы исследований в части основных зависимостей электроплазменного напыления с воздействием ультразвука на распыляемый прутковый материал и результатов экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс на кафедре «Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки» Саратовского государственного технического университета в виде одного из разделов учебного пособия «Высокоэффективные процессы обработки материалов и нанесения покрытий концентрированными потоками энергии» в 2004 г.

Апробация работы. Материалы диссертации представлялись в виде докладов на 6-й международной конференции «Современные проблемы имплантологии» (Саратов 2002 г.), на конференции молодых ученых «ЗМНТК — 2003» (Ульяновск 2003 г.), на всероссийских научно-технических конференциях «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, 2003 и 2004 г.г.), на X Российской научно-технической конференции с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 2003 г.), на конференции с международным участием «Вакуумная наука и техника — 2004» (МИЭМ, Москва 2004 г.).

Результаты работы использованы при выполнении исследований по «Областной адресной инвестиционной программе на 2004 г.» и российской программе «Развитие информационных ресурсов и технологий. Индустрия образования» 2004 г.

4.4 Выводы.

1. Установлена предельная скорость газового потока, при которой сохраняется стабильность ультразвукового распыления.

2. Получено выражение для расчета скорости подачи прутка в струю плазмы в зависимости от его диаметра, материала и требуемого размера формируемых капель.

3. Установлены акустические и электротехнологические режимы напыления материалов ВТ 1−00, сталь 45, обеспечивающие наибольшую эффективность ультразвука и интенсивность процесса.

Глава 5.

Практическая реализация результатов исследований.

5.1 Рекомендуемые объекты внедрения разработанного способа напыления.

Способ может быть рекомендован для восстановления поверхности малогабаритных деталей, использование для которых электродуговой наплавки недопустимо вследствие малого износа деталей (восстановление по толщине в микрометрах), возможного перегрева и нарушения их целостности.

Также возможно повышение износостойкости изделий путем напыления твердых покрытий с низкой пористостью и высокой однородностью структуры. Примером таких изделий могут быть газодинамические опоры гироприборов и шнеки для выгрузки шлама центрифуг тонкой очистки масел. Заинтересованность в использовании разработанной технологии в изготовлении последних изделий проявляет ОАО «НИТИ-Тесар».

Другую группу изделий составляют детали электровакуумных приборов и внутрикостные стоматологические имплантаты, для которых характерны высокие требования к величине пористости и удельной поверхности, а также равномерности этих параметров.

Разработанная технология использована в НПА «Плазма Поволжья» на операции напыления внутреннего титанового подслоя на внутрикостные стоматологические имплантаты. При этом обеспечено повышение однородности структуры до 30% и плавное изменение пористости от 5% до 30% от основы имплантата к поверхности покрытия, что благоприятно сказывается на повышении адгезии покрытия и может улучшить его биомеханические характеристики при функционировании.

5.2 Устройство подачи пруткового материала в поток плазмы.

Для осуществления способа, предлагается устройство, содержащее механизм подачи пруткового материала в виде двух цанговых зажимов, управляемых пневмоприводами, шагового двигателя продольной подачи, системы управления. Между цангами установлен пьезокерамический ультразвуковой излучатель с возможностью регулировки усилия его прижатия, расстояние между цангами выбрано кратным половине длины волны ультразвуковых колебаний. Люнетная цанга расположена на расстоянии четверти длины волны ультразвуковых колебаний от оси плазмотрона.

На рис. 5.1 представлена схема устройства для осуществления способа плазменного напыления с ультразвуковым распылением тонкого слоя пруткового материала, подаваемого в струю плазмы. На схеме обозначено: 1 -система управления- 2 — ультразвуковой генератор- 3 — ультразвуковой преобразователь- 4 — направляющая- 5 — люнетная цанга- 6 — пруток- 7 -суппорт- 8 — поршень- 9 — возвратная пружина, 10 — электромагнитный клапан, 11 — пневмоцилиндр- 12 — поршень перемещения преобразователя- 13,14,15 — электромагнитные клапаны- 16 — пневмораспределитель- 17 — пиноль- 18 — подающая цанга- 19 — поршень- 20 — возвратная пружина- 21 -передача «винт — гайка" — 22 — шаговый электродвигатель- 23 — шаговый электродвигатель рабочей подачи- 24 — передача «винт — гайка», 25 -плазмотрон.

Рис. 5.1. Схема устройства для осуществления способа плазменного напыления с ультразвуковым распылением тонкого слоя пруткового материала, подаваемого в струю плазмы.

Работает устройство следующим образом. По команде системы управления закрывается клапан 10 и пружина 9 освобождает цангу 5. Одновременно открывается клапан 15 и поршень 19 перемещается зажимая цангу 18. На шаговый двигатель 22 подается необходимое число импульсов, чтобы при помощи передачи 21 пруток 6 выдвинулся из цанги 5 на расстояние Л/4. После этого клапан 15 закрывается и одновременно открывается клапан 10. В результате цанга 5 фиксируется поршнем 8, а цанга 18 освобождается пружиной 20, шаговый двигатель 22 реверсивно вращается и отводит пиноль 17 на расстояние А/2. После этого закрывается клапан 14 и открывается клапан 13. Под действием воздуха поршень 12 перемещает ультразвуковой преобразователь 3 в направляющей 4 до контакта с прутком 6 и прижимает его с усилием Р. Одновременно поступает команда на включение ультразвукового генератора 2. После этого плазмотрон 25 формирует струю плазмы заданной мощности. Шаговый двигатель 23 отрабатывает необходимое количество импульсов и через передачу 24 перемещает суппорт 7 так, чтобы торец прутка оказался на оси плазменной струи. Осуществляется процесс распыления тонкого слоя и подачи прутка с заданной скоростью. Как только длина выступающей части прутка станет настолько короче 7J4, что изменятся условия работы генератора и преобразователя (система выйдет из резонанса), что будет зафиксировано датчиком обратной связи, двигатель 23 ускоренно реверсирует и выводит пруток из потока. Открывается клапан 14, закрывается клапан 13 и поршень 12 отводит преобразователь от прутка. Затем описанный ранее цикл повторяется.

5.3 Оценка технико-экономической эффективности процесса.

Переход народного хозяйства на рыночные отношения предполагает создание экономических. предпосылок для эффективно действующего производства, с точки зрения рационального использования ресурсов, неуклонного ускорения технического прогресса и полного удовлетворения потребностей потребителей. Основным результатом поставленных задач должно стать повышение качества продукции и обеспечение ее конкурентоспособности на внешнем рынке.

Определим капитальные затраты на модернизацию оборудования для осуществления предлагаемого способа напыления [119,120,121,122,123,124].

В табл. 5.1 приведена стоимость основных материалов, используемых при модернизации установки.

Заключение

.

На основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научная задача, имеющая важное народнохозяйственное значение и заключающаяся в научном обосновании обеспечения заданных параметров качества изделий машинои приборостроения, за счет повышения однородности структуры и морфологии электроплазменных покрытий на них, путем формирования однородного потока частиц направленным воздействием энергии ультразвуковых колебаний на прутковый материал, расплавляемый в струе плазмы.

1. Разработана технология электроплазменного напыления покрытий с повышенной однородностью структуры при воздействии ультразвука на распыляемый прутковый материал и установлены рекомендуемые технологические режимы: ток дуги 150 А, дистанция напыления 60 мм, расстояние от прутка до плазмотрона 10 мм, частота ультразвуковых колебаний 22 кГц, амплитуда ультразвуковых колебаний 4+12 мкм, в зависимости от требуемого размера частиц, программно регулируемая скорость подачи пруткового материала от 0.1 до 5 мм/с. Технология обеспечивает получение покрытий с неравномерностью по толщине не более 16%, пористостью от 14% до 28%, равномерностью пор до 5 раз выше, чем при обычном напылении, шероховатостью поверхности Ra—5 мкм, Rz= 18 мкм, Rmwr26 мкм и ^=121 мкм, равномерностью шероховатости почти в 2 раза выше, чем при обычном напылении.

2. Определено условие однородности исходного потока частиц, заключающееся в установлении значений амплитуды и частоты колебаний прутка, при которых обеспечивается образование микрокапель с размерами, ниже порога воздействия скоростного напора плазменной струи.

3. Получена модель формирования размера напыляемых частиц в зависимости от распыляемого материал, параметров ультразвука, электрических параметров плазмы и скорости газового потока.

4. Установлено определяющее влияние на размер частиц амплитуды колебаний и тока дуги, а также увеличение влияния ультразвука на размеры частиц при возрастании расстояния от торца плазмотрона до распыляемого прутка.

5. Установлено снижение дисперсии размеров исходных частиц в 2,8 раза по сравнению с используемыми порошками и снижение относительной дисперсии размеров агломератов до 4,5 раз по сравнению с обычным напылением при газоструйном распылении прутка.

6. Разработан способ плазменного напыления металлических покрытий, включающий сообщение распыляемому прутку ультразвуковых колебаний, величина которых определяется видом материала и требуемыми параметрами покрытия, обеспечивающий повышение однородности его структуры и морфологии.

7. Разработана принципиальная конструкция устройства, обеспечивающего сообщение прутковому материалу ультразвуковых колебаний требуемой интенсивности и программно регулируемой циклической его подачи в струю плазмы.