Повышение производительности процесса плазменно-дугового нанесения покрытий на тела вращения

Актуальность работы. Напыление представляет собой процесс нанесения покрытий на поверхность детали с помощью высокотемпературной скоростной струи, содержащей частицы порошка или капли расплавленного напыляемого материала, осаждающегося на подложке при ударном столкновении с его поверхностью. Существующие технологии напыления можно разделить на два основных вида в зависимости от источника тепловой энергии: газопламенное напыление, при котором используется теплота, выделяющаяся при сгорании смеси горючего газа с кислородом, и плазменное напыление, основанное на использовании теплоты, выделяющейся при горении электрической дуги. Технологии плазменного напыления широко применяются в промышленности с семидесятых годов ХХ-го века. Разработки последних нескольких десятилетий в области создания дуговых плазмотронов для нанесения покрытий основаны на уже существующих конструкциях, что ограничивает развитие технологий плазменного напыления с повышенной производительностью. В настоящее время производительность процесса плазменного напыления составляет примерно 3−8 кг/ч. Энергия, затрачиваемая на плавление и ускорение порошка, по отношению к энергии, подведенной к источнику питания, составляет всего 5−7%. Эта величина называется полным КПД процесса.

Для нанесения покрытий на некоторые изделия, такие как валы тяжелых машин, коленчатых валов судовых дизелей, шаровые клапаны вентилей, матрицы пресс-форм, гребни шнеков и других аналогичных деталей, а так же для восстановления изношенных деталей различных машин и механизмов данной производительности недостаточно. Повысить производительность процесса можно, добавив дополнительную мощность непосредственно в струю плазмы, где происходит нагрев и расплавление порошка. С этой целью между соплом плазмотрона и деталью подключается дополнительный источник напряжения. Такой плазмотрон называется плазмотроном с вольтодобавкой на струю плазмы (ВДСП).

Различным аспектам решения задач исследования плазмы и разработки генерирующих ее дуговых плазмотронов для напыления посвящены работы: А. В. Донского, B.C. Клубникина, Н. М. Ожегова, О. П. Солоненко, В. Я. Фролова, H.A. Кархина, и др. В то же время значительный вклад в моделирование плазменных процессов внесли М. Ф. Жуков, C.B. Дресвин, Н. К. Ши и др.

Критический анализ научно-технической литературы, посвященной способам формирования и методам исследования струи плазмы, показал недостаточную изученность характеристик плазменной струи. Переходя к экспериментальным исследованиям, следует отметить, что плазма в дуговых плазмотронах является достаточно сложным объектом исследований и диагностики. Сложность проведения измерений параметров сжатой дуги в большей мере связана с интенсивностью процессов тепло — и массообмена и высокой степенью концентрации энергии. Это приводит к значительной погрешности при обработке экспериментальных результатов.

Цель работы — разработка технологии напыления повышенной производительности с использованием дугового плазмотрона с вольтодобавкой на струю плазмы (ВДСП). Поставленная цель может быть достигнута путем решения следующих задач:

1. Анализ процессов, происходящих в струе плазмы в плазмотроне с ВДСП;

2. Разработка методики расчета параметров электрической дуги, горящей в канале и на струе плазмы плазмотрона с ВДСП;

3. Разработка методики проведения экспериментальных исследований, обеспечивающих установление режимов работы оборудования и параметров струи плазмы, позволяющей оценить достоверность результатов, полученных при математическом моделировании;

4. Разработка методики расчета нагрева частиц порошка в струе плазмы;

5. Выбор оптимальных режимов работы оборудования для нанесения покрытий на тела вращения, соответствующих максимальной производительности и обеспечивающих сохранение качества покрытия.

Методы исследований. В работе использовались теоретические положения теплофизики плазменных сред, численный метод контрольного объема для решения уравнений баланса энергии электрической дуги и уравнений движения, зондовые методы измерения температуры и скорости плазмы и металлографические методы исследования структуры полученных покрытий.

Достоверность результатов работы обеспечивалась сопоставлением результатов расчета с экспериментальными данными и изучением характеристик полученных покрытий.

При проведении экспериментальных работ использовалось следующее оборудование: плазмотрон для напыления порошковых материалов типа ПН-В1, входящий в состав установки воздушно-плазменного напыления типа УВПН-40, лабораторный стенд для исследования плазмотронов, микроскоп Zeiss Optio с программой компьютерного анализа изображений Tixomet Pro, измеритель скорости светящихся объектов ИССО-1, цифровые и аналоговые электроизмерительные приборы.

Научная новизна работы. Основные научные результаты, полученные впервые и защищаемые автором, заключаются в следующем:

1. Разработана технология нанесения покрытий воздушно-дуговым плазмотроном с вольтодобавкой на струю плазмы.

2. Методика и алгоритм расчета струи плазмы с учетом влияния основной дуги и тока, возникающего за счет вольтодобавки.

3. Методика оценки температуры струи плазмы путем создания модернизированных измерительных зондов.

Практической значимостью работы является повышение эффективности работы плазмотрона: коэффициента полезного действия (с 5% до 9%) и производительности установки (на 30−40%) при нанесении покрытий за счет варьирования вольтодобавки, приложенной к струе плазмы. Полученные результаты применяются в учебных материалах кафедры «Электротехники и электротехнологии» ФГБОУ СПбГПУ и в 0*0 «-Дссоциаци.. полиплазма».

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика и алгоритм расчета параметров струи плазмы с учетом влияния тока основной дуги и тока, возникающего за счет вольтодобавки.

2. Результаты теоретических исследований параметров струи плазмы воздушно-дугового плазмотрона (распределение температуры и скорости плазмы в струе) при различных значениях вольтодобавки и режимах работы плазмотрона.

3. Методика проведения экспериментальных исследований, позволяющая установить параметры, оказывающие наибольшее влияние на нагрев частиц порошка: скорость и температуру струи плазмы.

Апробация работы. Основные результаты работы ' на конференциях: всероссийской конференции «Неделя науки СПбГПУ» (Россия, Санкт-Петербург, 2008;2010 гг.) — Международной конференции «Пленки и покрытия» (Россия, Санкт-Петербург, 2009;2011гг.) — Всероссийской конференции «Инновационная энергетика — 2010» (Россия, Новосибирск, 2010) — Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации — 2010.» (Россия, Новосибирск, 2010);

Международной конференции «Symposium on physics of switching arc» (Чехия, Брно, 2009;2011 гг.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы. Полый объем диссертации 103 страницы, основного текста — 85 страниц, рисунков -45, таблиц-3.

3.4. Выводы.

Приведенные в данной главе методы исследования, как характеристик плазменных струй, так и образцов получаемых покрытий, позволяют осуществить комплексный анализ предлагаемой технологии, включая используемое оборудования, материалы и само покрытие при изменении ряда технологических параметров. К таким параметрам можно отнести расход газа и рабочий ток плазмотрона, варианты подготовки напыляемого материала, дистанцию напыления и т. п. Так, например, введение в струю добавочного тока до 10 А, не оказывает существенного влияния на свойства получаемого покрытия. В то же время это позволяет повысить производительность процесса на 30% - 40%. В тех случаях, когда максимальная производительность не требуется, вольтодобавка позволяет соответственно снизить мощность установки на 30 — 40%.

Заключение

.

В диссертации, представляющей собой научно-квалификационную работу, разработана электротехнология воздушно-плазменного нанесения покрытий плазмотроном с ВДСП.

1. Разработана методика расчета параметров струи плазмы с ВДСП.

2. В результате математического моделирования получены пространственные распределения температуры струи плазмы, аксиальной и радиальной составляющих скорости плазмы, давления плазменного потока и другие параметры плазмы в широких диапазонах тока основной дуги (110 250 А), различных расходах плазмообразующего газа (0.5−1.5 г/с) и различных значениях тока, вызванного влиянием вольтодобавки (0- 10 А).

3. Разработана методика расчета нагрева частиц порошка в струе плазмы, позволяющая учесть тепловые потери плазменной струи.

4. Определен диапазон значений (напряжение и ток) вольтодобавки, при которых происходит повышение производительности нанесения покрытий без ухудшения качества и свойств покрытий (значения пористости, микротвердости и содержание кислорода в нанесенном покрытии изменились в пределах 10%).

5. Разработана методика проведения экспериментальных исследований, позволяющая измерять наиболее важные параметры струи плазмы распределения температуры и аксиальной составляющей скорости струи плазмы.

6. Разработана методика, позволяющая повысить точность измерения температуры струи плазмы, при значительных градиентах температурного поля (до тысячи К на миллиметр) и относительно малых размерах струи плазмы (~15 мм), путем создания более точных измерительных зондов. Расхождение экспериментальных и расчетных результатов с учетом систематической погрешности не превышает 25%.

7. Повышена эффективность работы плазмотронов для нанесения покрытий на тела вращения за счет увеличения производительности процесса (на 30−40%) при фиксированом коэффициенте использования порошка и мощности плазмотрона. При сохранении производительности процесса вольтодобавка позволяет соответственно снизить мощность установки на 30 — 40%.