PLASMOTRON FOR COATINGS APPLICATION FROM FUEL-DISPERSED MATERIALS

全文:

Введение. С интенсивным развитием аэрокосми- ческой техники и ужесточением условий ее эксплуа- тации повышаются требования по ее надежности, долговечности и безопасности эксплуатации. Элемен- ты конструкций летательных аппаратов, работающих в экстремальных условиях (воздействие значительных динамических нагрузок, агрессивных сред, высоких температур и т. п.), невозможно использовать без применения специальных защитных покрытий. Одним из наиболее производительных, технологичных и эффективных способов получения таких покрытий является плазменное напыление [1-11]. Применение плазменных технологий, активно внедряющихся в последнее время в промышленность, даёт возмож- ность решить многие проблемы производства с ми- нимальными затратами. Объём использования плаз- менных покрытий в мире постоянно возрастает. Для получения стабильных покрытий высокого качества большое внимание уделяется средствам механизации процесса, которых недостаточно, так как в первую очередь необходимо добиться высоких значений и стабилизации термических и динамических показате- лей напыляемых частиц. Основным элементом, обес- печивающим необходимые характеристики напыляе- мым частицам, является плазмотрон. В мире разрабо- тано большое количество плазмотронов различных конструкций, каждая из которых имеет как свои пре- имущества, так и недостатки. У большинства плазмо- тронов, в том числе и импортных, например у плазмо- трона F4 (Switzerland), напыляемый материал подает- ся в плазменную струю радиально через канал, нахо- дящийся на срезе сопла, что отрицательно сказывает- ся на качестве покрытия [12]. Часть материала отбра- сывается плазменной струей, что приводит к умень- шению коэффициента использования материала (КИМ), неравномерному прогреву напыляемых туго- плавких дисперсных материалов (оксидов, карбидов, нитридов и т. д.), что отражается на качестве полу- чаемых покрытий. Для обеспечения нагрева напыляе- мого материала повышают мощность плазмотрона, что уменьшает ресурс его работы. Существует схема подачи транспортирующего га- за с порошком спутно плазменному потоку, позво- ляющая обеспечить более эффективный и равномер- ный прогрев напыляемого материала, а также преду- сматривающая дополнительную стабилизацию дуго- вого разряда [12-15]. Но в промышленном масштабе такие плазмотроны не выпускаются, так как техноло- гически сложны в изготовлении. В данной работе представлены результаты сравнения характеристик покрытий, нанесенных плазмотроном F4 (Switzerland) и разработанным и изготовленным по спутной схеме подачи напыляемого материала. По этой схеме газо- порошковая смесь подводится к верхней части плаз- мотрона и закручивается посредством специальных выполненных пазов, далее, проходя по каналам плазмотрона, газопорошковая смесь попадает в высо- котемпературную прикатодную область, что способ- ствует ее равномерному нагреву до высоких темпе- ратур. Экспериментальная часть. Электродуговой плазмотрон содержит соосно и последовательно уста- новленные охлаждаемые катодный узел с катодом, изолятор, анодный узел с соплом-анодом, систему ввода плазмообразующего газа и систему ввода обра- батываемого материала, обеспечивающие фокусиро- вание последних в прикатодной области. Прикатодная область переходит в цилиндрическую полость сопла- анода. В плазмотроне конусообразный обтекатель снабжен шестью специальными каналами, выполнен- ными под углом 600 к направлению движения газопо- рошковой смеси, выравнивающими плотность газо- порошковой смеси и создающими вихревой поток по сечению канала. Конический кожух, образующий каналы с кониче- скими выходными участками для подачи плазмообра- зующего газа и транспортирующего газа с порошком в сопло плазмотрона, выполнен керамическим и уста- новлен на корпусе катодного узла. Плазмотрон позво- ляет повысить качество наносимых покрытий, увели- чить коэффициент использования материала и ресурс работы плазмотрона за счет равномерного прогрева напыляемого материала до температуры плавления, уменьшения газодинамического сопротивления при движении газопорошковой смеси по каналам и тан- генциальной подачи плазмообразующего газа, стаби- лизирующей горение дуги. На рис. 1 представлен предлагаемый плазмотрон в разрезе. На рис. 2 представлен конусообразный обте- катель. Плазмотрон состоит из системы ввода обрабаты- ваемого материала и транспортирующего газа, вклю- чающая входной патрубок 1, цилиндрическая полость 2 которого переходит в коническую полость 3, обра- зованную диффузором 4 и обтекателем 5, установ- ленным на корпусе катодного узла 6. На обтекателе равномерно расположены шесть каналов, выполнен- ных под углом 600 к направлению движения газопо- рошковой смеси, выравнивающие плотность газопо- рошковой смеси по сечению канала 7 и создающие вихревой поток. В корпусе катодного узла посредст- вом вставки 8 закреплен катод 9. В нижней части корпуса катодного узла 6 посредством резьбы закреплен керамический кожух 10 конической формы. Поверх- ности керамического кожуха 10 и изолятора 11 обра- зуют коническую транспортирующую полость 12, которая фокусируется в прикатодной полости 13, пе- реходящей в цилиндрическую полость сопла-анода 14. Таким образом, полости 3, 7 и 12 образуют непре- рывный транспортирующий канал с минимальным газодинамическим сопротивлением, связывающий цилиндрическую полость патрубка 1 с прикатодной областью 13. Сопло-анод 15 с вольфрамовой вставкой 32 фиксируется в корпусе анодного узла 16 прижим- ной гайкой 17. Корпус анодного узла 16 имеет систему охлажде- ния, соединенную с патрубком 18 ввода охлаждаю- щей жидкости. Патрубок 18 одновременно является клеммой соединения сопла-анода с плюсом «+» ис- точника питания плазмотрона. В систему охлаждения анодного узла входят полость 19 и отверстие 20, со- единяющее ее с патрубком 18 ввода охлаждающей жидкости. Затем охлаждающая жидкость через отвер- стие 21, патрубки 22 и соединительный шланг 23 по- ступает в корпус катодного узла. Система охлаждения катодного узла состоит из отверстий 24, 26, полости 25 и патрубка 27 для вывода охлаждающей жидкости. Патрубок 27 одновременно является клеммой подвода минуса «-» источника питания плазмотрона к катоду. Система ввода плазмообразующего газа состоит из патрубка 28, закрепленного на поверхности катодного узла и соединенного каналом 30 с конической поло- стью 31, образованной поверхностью катода 9 и внут- ренней поверхности керамического кожуха 10. Кон- струкция канала ввода обеспечивает тангенциальную подачу плазмообразующего газа, что способствует стабилизации горения дуги в прикатодной области. Электродуговой плазмотрон работает следующим образом. В патрубок 18 для охлаждения подается вода. В патрубок 28 подается плазмообразующий газ и ме- жду катодом 9 и соплом 15 возбуждают электриче- скую дугу. Плазмообразующий газ закручивается по часовой стрелке, что обеспечивается тангенциальной подачей газа через канал ввода. После выхода плаз- мотрона на рабочий режим в специальный патрубок подается газопорошковая смесь, у которой после со- прикосновения с поверхностью конусообразного об- текателя 5, имеющего каналы, происходит выравни- вание ее плотности и закручивание смеси по сечению кольцевого канала в ту же сторону, что и плазмообра- зующий газ. Рис. 1. Плазмотрон ПМ-1 Fig. 1. Plasmotron PM-1 Рис. 2. Обтекатель Fig. 2. Low-drag fairing Таблица 1 Данные, полученные при разрыве образцов (плазмотрон ПМ-1) № Образца I, A Ротр, кН σсц, МПа σсц.ср, МПа 1-28.11.17 150 5,544 11,294 11,568 2-28.11.17 150 5,758 11,731 3-28.11.17 150 5,733 11,68 4-28.11.17 200 6,169 12,567 12,862 5-28.11.17 200 6,239 12,71 6-28.11.17 200 6,534 13,31 7-28.11.17 250 6,449 13,137 13,463 8-28.11.17 250 6,848 13,95 9-28.11.18 250 6,529 13,301 10-28.11.18 300 7,29 14,851 14,045 11-28.11.18 300 6,6 13,445 12-28.11.18 300 6,794 13,84 Примечание: Ротр - сила, при которой произошёл отрыв покрытия от образца; σсц - адгезионная прочность покрытия; σсц.ср - среднее значение между тремя полученными значениями σсц при одной силе тока на одном плазмотроне. Смесь поступает через коническую полость 12, образованную керамическим кожухом 13 и изолято- ром 11, а плазмообразующий газ - через канал 30, образованный между катодом 9 и поверхностью от- верстия в корпусе катодного узла 6, и конический канал 31 между внутренней поверхностью кожуха 10 и катодом 9 в прикатодную область 13. При этом обеспечивается равномерный прогрев напыляемого материала до температуры плавления, что приводит к повышению качества покрытия, уменьшению энергозатрат и к увеличению ресурса работы плаз- мотрона. Для проведения испытаний на прочность сцепле- ния покрытия наносились на стальные образцы, выполненные в виде грибков. Величину прочности сцепления покрытия с подложкой определяли мето- дом отрыва (клеевая методика, клей ВК-9) согласно ГОСТ 209-75 при помощи универсальной испыта- тельной машины Eurotest T50 . Полученные данные представлены в табл. 1 и 2. Расход напыляемого по- рошка в питателе был одинаковым для обоих плазмо- тронов. Прочность сцепления покрытия определяли по следующей формуле: Р Р 4Р По данным табл. 1, 2 построены графики зависи- мости адгезионной прочности покрытий, нанесенных разными плазмотронами, от величины силы тока (рис. 3). Прочность сцепления покрытий, нанесенных экспериментальным плазмотроном ПМ-1, примерно на 20 % выше, чем при нанесении импортным F4. По- лученные результаты подтверждают, что плазмотрон ПМ-1 обеспечивает равномерный прогрев напыляе- мого порошка до температуры плавления, что приво- дит к повышению прочности сцепления покрытия с подложкой при одинаковых расходах газов и подво- димой мощности. Толщина покрытия оказывает немаловажное влия- ние на износо- и коррозионную стойкость. Толщину покрытия, сформированного плазменным напылени- ем, определяли с помощью микрометра. Замеры на каждой пластинке производили в 5 произвольно взя- тых точках. Результаты занесены в табл. 3, 4. По данным табл. 3. и 4 построен график зависимо- сти толщины покрытия от силы тока (рис. 4). Толщина покрытий также оказалась больше при- мерно на 15-18 %. Это значит, что коэффициент ис- пользования материала выше за счет равномерного прогрева напыляемого порошка. Изучение микро- структуры и пористости обработанных образцов проsсц = где d = 0,025 м. отр = F отр = pr2 отр , pd 2 водили с помощью металлографического микроскопа Neophot 32. Увеличение микроскопа составляет от 10 до 2000 раз. Полученные данные по пористости по- крытий представлены в табл. 5 и 6. Таблица 2 Данные, полученные при разрыве образцов (плазмотрон F4) № Образца I, A Ротр, кН σсц, МПа σсц.ср, МПа 25-8.12.17 250 5,323 10,843 10,586 26-8.12.17 250 5,073 10,334 27-8.12.17 250 5,193 10,58 28-8.12.17 300 5,317 10,832 11,302 29-8.12.17 300 5,824 11,865 30-8.12.17 300 5,503 11,21 31-8.12.17 350 5,559 11,324 11,651 32-8.12.17 350 5,846 11,91 33-8.12.17 350 5,753 11,72 Рис. 3. Зависимость адгезионной прочности покрытия от силы тока Fig. 3. Dependence of coating adhesion strength from current rate Таблица 3 Толщина покрытия (плазмотрон ПМ-1) № образца I, А hi, мкм hср, мкм Среднее hср, мкм 1 2 3 4 5 13-28.11.17 150 110 131 112 130 112 119 125,9 14-28.11.17 150 125 131 130 146 139 134,2 15-28.11.17 150 110 139 111 131 131 124,4 16-28.11.17 200 121 126 112 132 129 124 132,5 17-28.11.17 200 148 131 132 140 151 140,4 18-28.11.17 200 127 120 144 136 138 133 19-28.11.17 250 124 118 143 151 129 133 137,1 20-28.11.17 250 159 131 128 152 135 141 21-28.11.18 250 131 120 152 136 147 137,2 22-28.11.18 300 144 126 127 141 122 132 139,7 23-28.11.18 300 135 143 161 150 141 146 24-28.11.18 300 153 131 130 149 142 141 Примечание: I - значение силы тока (А), при котором проводилось напыление; hi - толщина покрытия в точке замера; hср - среднее арифметическое всех значений толщины в точках замера. Таблица 4 Толщина покрытия (плазмотрон F4) № образца I, А hi , мкм hср, мкм Среднее hср, мкм 1 2 3 4 5 34-8.12.17 250 112 83 91 121 108 103 107,7 35-8.12.17 250 93 109 124 94 105 105 36-8.12.17 250 101 141 99 104 130 115 37-8.12.17 300 133 136 91 102 93 111 118,3 38-8.12.17 300 104 139 98 129 125 119 39-8.12.17 300 141 103 100 152 129 125 40-8.12.17 350 109 121 130 96 124 116 122,0 41-8.12.17 350 132 101 106 142 129 122 42-8.12.17 350 103 145 141 112 139 128 Рис. 4. Зависимость толщины покрытия от силы тока Fig. 4. Dependence of coating thickness from current rate Таблица 5 Значения пористости покрытий (плазмотрон ПМ-1) № образца I, А П, % Пср, % 13-28.11.17 150 20 23 14-28.11.17 150 23 15-28.11.17 150 26 16-28.11.17 200 19 21,3 17-28.11.17 200 20 18-28.11.17 200 25 19-28.11.17 250 17 18,8 20-28.11.17 250 19 21-28.11.18 250 20,5 22-28.11.18 300 13 14,7 23-28.11.18 300 15 24-28.11.18 300 16 Примечание: I - величина силы тока, при которой проводилось напыление (А); П - пористость покрытия (%); Пср - среднее значение пористости для образцов с напылением на одном режиме. Таблица 6 Значения пористости покрытий (плазмотрон F4) № образца I, А П, % Пср, % 34-8.12.17 250 32 30 35-8.12.17 250 31 36-8.12.17 250 27 37-8.12.17 300 27 28 38-8.12.17 300 28 39-8.12.17 300 30 40-8.12.17 350 25,5 26 41-8.12.17 350 24 42-8.12.17 350 28,2 Рис. 5. Зависимость пористости покрытий от силы тока Fig. 5. Dependence of coating porosity from current rate По данным табл. 5, 6 построен график зависимо- сти пористости покрытия от величины силы тока для двух плазмотронов (рис. 5). Полученные результаты показывают, что пористость покрытий, полученных на плазмотроне ПМ-1, меньше примерно на 13 %, что также происходит за счет равномерного прогрева на- пыляемого порошка. Заключение. Результаты данной работы показы- вают, что характеристики покрытий, напыленных плазмотроном ПМ-1, выше полученных на промыш- ленном плазмотроне F4 (Switzerland). Повысились прочность сцепления на 20 %, толщина покрытий и коэффициент использования материала - примерно на 15-18 %, а пористость снизилась на 13 %.

作者简介

A. Mikheev

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: michla@mail.ru
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

A. Girn

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

D. Ravodina

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

I. Yakubovich

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

参考

补充文件