Газотермическое напыление является одним из перспективных технологий улучшения физико-механических свойств поверхности деталей машин и механизмов. В зависимости от выбранного порошкового материала рабочая поверхность деталей машин и механизмов приобретает особые эксплуатационные свойства: повышенную износостойкость, жаростойкость, коррозионную стойкость, заданные теплофизические и электрические характеристики и т. д.
В данной работе рассматриваются покрытия, полученные газопламенным и плазменным напылением порошковых материалов, поэтому термины «газотермическое напыление», «газотермическое покрытие» в дальнейшем относятся к данным технологиям, если не оговорено другое.
Газотермическое напыление имеет следующие преимущества[1−3]: —универсальность газотермического напыления: возможность нанесения покрытия из самых различных материаловнебольшая потребность в материалах для покрытий, поскольку их толщина обычно составляет 100—500 мкмсравнительная простота оборудования для газотермического напыления, которое одновременно является высокопроизводительным- —оперативность управления технологическим процессом- —возможность нанесения покрытий на изделия сложной формы- —сохранение особенностей структуры и свойств материала основыдеформация изделий при газотермическом напылении незначительна.
Естественно, что перечисленные преимущества реализуются при правильно разработанной для конкретных условий технологии напыления и ее грамотном осуществлении.
Недостатки технологии газотермического напыления можно разделить на три вида: недостатки, присущие самому процессу газотермического напыления, приводящие иногда к ухудшению физико-механических свойств получаемого покрытия — снижению прочностных характеристик, плотности, сцепления с основой и т. д.- недостатки технического характера: газотермическое напыление (особенно плазменное) часто производится оборудованием, находящимся в постоянном усовершенствованиивредные условия процесса газотермического напыления.
Исследования, проведенные в последнее время в России и за рубежом, показали, что влияние этих недостатков можно свести к минимуму [1−5].
Рассмотрим подробнее недостатки, присущие самому процессу газотермического напыления.
При движении к поверхности основы в высокотемпературной газовой среде частицы порошкового материала находятся в сложном агрегатном состоянии. При столкновении с поверхностью основы или ранее образовавшегося слоя частицы расплющиваются и разбрызгиваются, образуя тонкий слой, сцепленный с подложкой или с другими частицами покрытия. Таким образом, формирование газотермического покрытия происходит путем постепенного наложения отдельных, дискретно затвердевающих с высокой скоростью (104—108 К/с) частиц, которые последовательно образуют слои. Поэтому газотермическое покрытие характеризуется высокой степенью неоднородности, слоистым строением и пористостью, что обусловлено именно спецификой процесса напыления, заключающейся в быстропротекающем.
3 5.
10″ —10″ с) высокотемпературном (до температуры плавления) нагреве частиц материала и их последующем высокоскоростном соударении с поверхностью основы.
Форма затвердевших частиц и поровое пространство между ними составляют понятие макроструктуры газотермического покрытия [6].
Именно макроструктура газотермического покрытия определяет его многие физико-механические свойства. Как известно, безразмерные свойства? порошкового тела описываются формулой Балыпина-Хюттига[7]:
5 = (1 -П)с, где 77 — пористость, которая составляет для газотермических покрытий от 0,01—0,02 до 0,4—0,6- с — эмпирическая постоянная.
Используемые линейные зависимости для безразмерных модуля Юнга и электросопротивления также показывают определяющую роль макроструктуры [8]: = 1-с/7.
Из приведенных выражений также видно, что пористость (или плотность) является важнейшей количественной характеристикой макроструктуры газотермического покрытия, определяющей его физико-механические свойства.
Посредством физико-механических свойств макроструктура определяет и эксплуатационные характеристики обработанной поверхности деталей машин и механизмов (износостойкость, жаростойкость, коррозионную стойкость и т. д.).
Таким образом, исследование макроструктуры газотермических покрытий позволяет научно обосновать технологию получения поверхностей с заданными физико-механическими свойствами, а также обеспечивает прогнозирование их эксплуатационных характеристик.
Следовательно, существует актуальная для практики проблема — определение физико-механических и эксплуатационных характеристик газотермических покрытий исходя из особенностей их макроструктуры.
В этой области достаточно хорошо изучена динамика взаимодействия отдельной расплавленной частицы с подложкой. Из-за сложности описания поведения множества частиц, взаимодействующих друг с другом и с подложкой, работы в этом направлении начаты относительно недавно и требуют своего развития.
Макроструктура может быть исследована исходя из особенностей формирования газотермического покрытия, которое происходит под непрерывным действием множества случайных факторов, таких как турбулентность высокотемпературного потока газа, гранулометрический состав напыляемого порошкового материала, различная степень нагрева, распределения частиц и т. д.
Поэтому целесообразным является применение статистического подхода для описания макроструктуры газотермического покрытия.
Процесс изнашивания покрытий при трении зависит от так называемой фактической площади контакта, величина которой существенно зависит от макроструктуры покрытия. В связи с этим можно предполагать, что статистические закономерности, описывающие макроструктуру покрытия, будут проявляться и при его изнашивании.
Исходя из вышеизложенного, целью данной работы поставлено: на основе статистического подхода к описанию макроструктуры газотермического покрытия определение её количественных характеристик — плотности и пористости, установление закономерности изнашивания газотермического покрытия г с. г?<�ри!: трений скольжения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: исходя из статистических закономерностей формирования макроструктуры газотермического покрытия, />щр-дв"тдть математическую модель Для определения его плотности и пористостиэкспериментально определить статистические характеристики локальной плотности газотермических покрытий, нанесенных на гладкую и шероховатую подложкисопоставить полученные результаты с расчетными данными для проверки статистической гипотезына основе выявленных статистических закономерностей формирования макроструктуры газотермического покрытия построить математическую модель для определения его объемного износа в условиях трения скольжениясопоставить результаты расчета с экспериментальными данными для количественной оценки параметров модели.
Диссертация выполнена в соответствии планом НИР ИФТПС по теме 1.11.5.2 «Разработка методов и способов определения свойств конструкционных и высокопрочных материалов и новых технологий для повышения прочности, надежности и долговечности машин и конструкций при одновременном снижении материалоемкости» (К гос. рег.1 900 030 965).
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах лаборатории ИФТПС, отдела хладостойкости ИФТПС, технологическом семинаре ИФТПС, на республиканских научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов (1990, 1994 гг. Якутск), на международной конференции «Математические методы в физике, механике и мезомеханике разрушения» (1996 г. Томск), на XIII международном симпозиуме по химии твердого тела (1996 г. Гамбург), на IX совещании Международного Института Сварки (1997 г. Сан-Франциско), на международной конференции «Сварка и родственные технологии в XXI век» (1998 г. Киев).
Публикации: основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 7 научных публикациях.
ВЫВОДЫ.
В данной главе на основе теории марковских процессов построена математическая модель объемного изнашивания газотермического покрытия при трении скольжения, которая исходит из двух предположений: величина разрушенного объема с единичной площади поверхности является случайной функцией от пути тренияизменение разрушенного объема по пути трения является марковским процессом.
Кривая зависимости объемного износа от пути трения, полученная по данной модели, имеет характерные участки приработки и установившегося износа.
Параметры статистической модели оценены из экспериментальных данных массового износа плазменных и газопламенных покрытий системы №-Сг-81-В.
Показано, что расчетная кривая объемного износа с экспериментально определенными коэффициентами может удовлетворительно описывать экспериментальные данные по износу газотермического покрытия системы №-Сг-БьВ в широком интервале значений пути трения.
Определение коэффициентов ?> и К из специально поставленных экспериментов на начальном участке пути трения позволит построить полную кривую износа, что может найти применение в разработке методики ускоренных испытаний на износ газотермических покрытий.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1.На основе статистического подхода ,.к. описаний) макроструктуры газотермического покрытия построена математическая модель для определения его плотности и пористости Получены аналитические выражения для функции условной вероятности, распределения средней плотности и пористости газотермических покрытий, напыленных на гладкую подложку.
2.Экспериментально установлено, что распределение средней плотности и пористости газотермического покрытия по его толщине существенно зависит от наличия пористости вблизи подложки. Так, при газотермическом напылении на гладкую подложку, вблизи неё практически достигается плотность сплошного материала, а по толщине покрытия происходит снижение его средней плотности.
Сопоставлением расчетных и экспериментальных данных показано, что построенная статистическая модель удовлетворительно описывает распределение средней плотности и пористости газотермического покрытия, напыленного на гладкую подложку.
3.Экспериментально установлено, что при газотермическом напылении на шероховатую подложку, когда вблизи неё наблюдается появление существенной пористости, средняя плотность покрытия практически не меняется в пределах его толщины.
Показано, что результаты расчетов по предложенной ет&тмстической модели удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными плотности газотермического покрытия, нанесенного на шероховатую подложку.
4.Экспериментальными исследованиями установлено, что существует корреляция локальной плотности слоев газотермического покрытия, которая исчезает на расстоянии порядка размера напыляемых частиц.
Поэтому, допущенное в статистической модели предположение о том, что изменение локальной плотности покрытия по слоям является марковским процессом, не противоречит экспериментальным данным.
5.Исходя из статистических закономерностей формирования макроструктуры газотермического покрытия, построена математическая модель для определения объемного изнашивания газотермического покрытия при трении скольжения.
Получены аналитические выражения для плотности условной вероятности и объемного износа с единицы площади поверхности трения. При этом полученная зависимость объемного износа от пути трения имеет характерные участки приработки и установившегося износа.
Проведена количественная оценка параметров построенной статистической модели с использованием экспериментальных данных по массовому износу газотермических покрытий системы №-Сг-8ьВ.