Теоретические основы технологии плазменного напыления

ТЕХНОЛОГИИ
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ



            А.Ф. Пузряков


Теоретические основы технологии плазменного напыления

Издание второе, переработанное и дополненное

Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности
«Машины и технология высокоэффективных процессов обработки материалов» направления подготовки дипломированных специалистов «Машиностроительные технологии и оборудование»




Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2008

    УДК 621.793(075.8)
    ББК 34.55
         П882


Рецензенты:
кафедра «Материаловедение и технология обработки материалов» Российского государственного технологического университета
им. К.Э. Циолковского (МАТИ — РГТУ);
д-р техн, наук, проф. В.В. Кудинов
         Пузряков А.Ф.
   П882 Теоретические основы технологии плазменного напыления: Учеб, пособие по курсу «Технология конструкций из металло-композитов». 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 360 с.: ил. (Технологии ракетно-космического машиностроения.)
              ISBN 978-5-7038-3045-1
             Изложены теоретические основы и практика использования одного из перспективнейших технологических методов защиты изделий от воздействия внешней среды — плазменного напыления. Описаны методы нанесения, оборудование и материалы для покрытий различного функционального назначения. Обобщены экспериментальные данные и результаты теоретических расчетов отечественных и зарубежных исследователей. Рассмотрены различные методы испытаний и свойства напыленных покрытий.
             Второе издание (1-е — 2003 г.) дополнено справочными данными о напыляемых материалах и примерами применения покрытий в различных отраслях промышленности.
             Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, который автор читает в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
              Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Машины и технология высокоэффективных процессов обработки материалов» направления подготовки дипломированных специалистов «Машиностроительные технологии и оборудование». Будет полезно инженерно-техническим работникам машиностроительной, энергетической, металлургической и других отраслей промышленности.



                                                                 УДК 621.793(075.8)
                                                                 ББК 34.55




ISBN 978-5-7038-3045-1

                                                © Пузряков А.Ф., 2008
                    © Оформление. Издательство
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

   Предисловие.................................................... 5
   Введение....................................................... 8
   Глава 1. Современное состояние и тенденции развития технологии нанесения покрытий в машиностроении.............. 12
         1.1. Анализ основных требований к материалам и свойствам покрытий в зависимости от условий эксплуатации деталей 12
         1.2. Анализ технических и технологических возможностей газотермических методов нанесения покрытий..........   17
         1.3. Классификация материалов для нанесения покрытий ... 34
         1.4. Факторы, влияющие на качество плазменных покрытий. 66
         1.5. Способы управления качеством напыляемых покрытий . 72
         1.6. Этапы и задачи создания управляемых автоматизированных технологических процессов нанесения газотермических покрытий.....................................i    80
   Глава 2. Математическое моделирование процесса плазменного напыления.................................................. 90
         2.1. Структура математической модели ................... 90
         2.2. Энергетические и тепловые характеристики плазмотрона 91
         2.3. Тепловые и динамические параметры плазменной струи 96
         2.4. Термодинамические и переносные свойства плазмообразующих газов ........................................ 101
         2.5. Расчет параметров частиц в плазменной струе ...... 107
         2.6. Влияние режимов плазменного напыления на свойства покрытий ............................................ 117
   Глава 3. Использование ЭВМ при управлении процессом напыления .............................................. 120
         3.1. Структура задач, решаемых ЭВМ..................... 120
         3.2. Алгоритмы выбора режимов напыления................ 128
         3.3. Алгоритмы стабилизации и управления процессом нанесения покрытий....................................... 133
   Глава 4. Методы управления качеством напыляемых покрытий .. 137
         4.1. Методы повышения стабильности процесса плазменного напыления ................................................ 137

Оглавление

         4.2. Управление свойствами покрытий наложением колебаний 146
         4.3. Управление качеством покрытий путем наложения электрической дуги пульсирующей мощности ................ 161
         4.4. Напыление покрытий с совмещенной электроискровой обработкой подложки.................................. 188
   Глава 5. Методики исследования процесса напыления и работоспособности изделий с покрытиями...................... 206
         5.1. Методики измерения скорости, температуры напыляе-
             мых частиц и пористости покрытия ................ 206
         5.2. Методики исследования механических свойств напыленных покрытий......................................... 211
         5.3. Расчетно-экспериментальные методики определения остаточных напряжений.................................... 227
         5.4. Методики оценочных расчетов работоспособности деталей с покрытиями..................................... 238
         5.5. Разработка принципов создания композиционных армированных покрытий большой толщины.................... 261
   Глава 6. Разработка системы автоматизированного проектирования (САПР) нанесения защитных покрытий................ 278
         6.1. Структурная схема САПР нанесения покрытий........ 279
         6.2. Теория нечетких множеств в формализации процесса на-
             несения покрытий ................................ 283
         6.3. Разработка критериев и функционалов оптимизации .... 287
         6.4. Разработка алгоритмов проектирования и оптимизации
             технологических процессов........................ 294
   Г л а в а 7. Технология плазменного напыления.............. 310
         7.1. Технология напыления восстанавливающих, упрочняющих и защитных покрытий.............................. 310
         7.2. Технология изготовления корковых деталей........ 329
         7.3. Кинематические режимы напыления ................ 333
         7.4. Применение покрытий в промышленности............ 339
   Список литературы ......................................... 358

ПРЕДИСЛОВИЕ
      Достижение высокого качества машин и агрегатов, выпускаемых промышленностью с минимальными ценами, невозможно без применения наиболее прогрессивных, экономически выгодных технологических методов. В большинстве случаев современные машины эксплуатируются в жестких условиях контактирования с высокотемпературными газовыми потоками, агрессивными газами и абразивными веществами, вызывающими интенсивный износ или коррозию. В связи с этим возникает необходимость применения специальных способов обработки, обеспечивающих радикальное повышение износостойкости, жаропрочности, коррозионной стойкости и других свойств рабочей поверхности материалов.
      Увеличение срока службы деталей машин можно обеспечить путем нанесения на поверхности этих деталей покрытий, обладающих необходимым уровнем эксплуатационных свойств.
      Существует большое количество химических, гальванических и физических методов нанесения покрытий. Особый интерес в последнее время вызывают плазменные методы нанесения покрытий различного функционального назначения. Высокая производительность, простота технологии, относительно низкая себестоимость нанесения покрытия, экологическая чистота процесса, возможность обработки деталей различной конфигурации и габаритов позволяют использовать плазменное напыление во многих областях техники.
      Применение плазменных технологий, активно внедряющихся в последнее время в промышленность, дает возможность решить многие проблемы производства с минимальными затратами. Объем использования плазменных покрытий в России и за рубежом постоянно возрастает. Так, только фирмой «Дженерал электрик» в 1975 г. были нанесены износостойкие покрытия на детали 2000 наименований на сумму 40 млн долл. В настоящее время в США половину всех работ по нанесению покрытий на металлы и керамику выполняют с помощью плазменного напыления.

Предисловие

      Однако эта сравнительно новая и потому мало известная широкому кругу технических работников технология недостаточно освещена в отечественной и зарубежной литературе по целому ряду объективных и субъективных причин.
      Необходимость подготовки специалистов по технологии плазменного напыления обусловлена расширением областей применения плазменных покрытий в различных отраслях промышленности, и особенно в машиностроении.
      При написании учебного пособия был использован опыт преподавания автора на кафедре «Технологии ракетно-космического машиностроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также работы сотрудников лаборатории плазменных технологий, обобщены достижения отечественных и зарубежных исследователей.
      Особенность данного издания состоит в том, что основное внимание в нем уделено теоретическим вопросам процесса плазмо-образования, поведению напыляемых частиц в струе, методам оценки свойств покрытий, способам управления качеством напыленных деталей с покрытиями за счет внешних воздействий (вибрации, выносной дуги пульсирующей мощности, электроискровой обработки подложки в процессе напыления и др.) на напыленный слой, разработке алгоритмов управления процессом напыления и методам автоматизированного проектирования покрытий.
      Второе издание (первое — 2003 г.) дополнено справочными данными о напыляемых материалах и примерами применения покрытий в различных отраслях промышленности.
      По мнению многих исследователей, на стабильность свойств напыленных покрытий в той или иной степени влияет около 60 параметров, проконтролировать которые оператор физически не в состоянии, поэтому воспроизводимость свойств недостаточно высока.
      Математическая формализация процесса напыления создает реальную возможность включения ЭВМ в технологический процесс нанесения покрытий, тем самым значительно упрощая реализацию процесса и улучшая стабильность свойств деталей с покрытиями.
      Эта книга, безусловно, будет полезна студентам механических, технологических и конструкторских специальностей высших учебных заведений, аспирантам, а также широкому кругу инженерно-технических работников.
      Чтобы читатели могли самостоятельно составлять программы для ЭВМ, пригодные для решения их конкретных задач, при выво

Предисловие

7

   де основных математических зависимостей приведены все промежуточные выкладки.
      Автор выражает благодарность кафедре «Технологии ракетно-космического машиностроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана, сотрудникам и аспирантам лаборатории «Плазменные технологии» за помощь в работе, а также рецензентам за ценные замечания.

ВВЕДЕНИЕ
      Интенсификация экономики и повышение ее эффективности во многом определяются применением новых технологических процессов. Прогрессивные технологии, базирующиеся на крупных фундаментальных исследованиях (лазерная, плазменная, порошковая металлургия, самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и т. п.) вносят существенный вклад в развитие специального машиностроения.
      Производство машин и аппаратов, работающих в экстремальных условиях (значительные динамические нагрузки, агрессивные среды, эрозионный, абразивный износ и т. п.), невозможно без использования газотермических покрытий, наносимых с целью экономии высоколегированных материалов, упрочнения поверхностей и придания им особых свойств защиты от воздействия высоких температур, термоэрозионного износа, воздействия нейтронных потоков и радиоизлучений, абразивного износа и при восстановлении геометрических размеров поверхностей изношенных деталей. Применение защитных покрытий на деталях машин и механизмов дает наибольший экономический эффект при наименьших дополнительных затратах.
      Одним из наиболее производительных, технологичных и эффективных способов получения таких покрытий является плазменное напыление.
      За последние три десятилетия многое сделано для широкого внедрения этого метода в промышленность. Разработан и выпускается широкий ассортимент порошковых и проволочных материалов для напыления покрытий различного функционального назначения; при напылении достигнут приемлемый ресурс работы оборудования; проведены многочисленные экспериментальные исследования влияния режимов напыления на свойства покрытий; исследованы контактные взаимодействия частиц с основой и друг с другом; исследованы некоторые аспекты кинетики образования соединений покрытия с основой.

Введение

9

      Дальнейшее повышение эффективности использования плазменного напыления, особенно в специальном машиностроении, связано с разработкой методов и средств автоматизации и компьютеризации процесса напыления.
      Переход на автоматизированное нанесение покрытий позволит существенно улучшить качество и стабильность свойств напыляемых деталей, повысить производительность труда, снизить себестоимость продукции, сократить количество обслуживающего персонала и свести к минимуму влияние вредных условий труда. Автоматизация нанесения покрытий эффективна к тому же и потому, что обеспечивает стабилизацию (или регулирование по определенному закону) параметров технологического процесса, тем самым повышая качество напыляемых покрытий. Переход на автоматизированное нанесение покрытий исключает влияние квалификации оператора на свойства покрытий, а также уменьшает количество брака, полученного по вине оператора.
      Основными факторами, сдерживающими широкое внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) плазменного напыления, на сегодня являются: недостаточная информация об объекте управления; невысокая точность функциональных зависимостей, описывающих процесс напыления; отсутствие методик и алгоритмов управления автоматизированными системами напыления, отвечающих основным требованиям АСУ ТП.
      В работах В.В. Кудинова, В.М. Иванова, А. Хасуй и других исследователей предприняты усилия в решении отдельных вопросов теории процесса плазменного напыления, относящихся к внутреннему контуру управления. Были предприняты попытки создания теории формообразования покрытия. Наиболее интенсивно проводятся исследования физико-механических свойств покрытий. В последнее время наметилась тенденция в решении вопросов автоматизации процесса напыления.
      Однако как у нас в стране, так и за рубежом усилия исследователей и разработчиков оборудования были направлены на механизацию перемещения плазмотрона относительно напыляемой детали. Наиболее интенсивные работы по производству автоматизированных установок были проведены ВИСПом (г. Киев), фирмами «Плазма техник», «Метко» и др.
      Для получения стабильных покрытий высокого качества одних средств механизации недостаточно — необходимо стабилизировать

Введение

   и управлять режимами напыления непосредственно в процессе нанесения покрытий. Решить эту задачу на современном этапе, как показывают отечественные и зарубежные исследования, не представляется возможным из-за недостаточной формализации процесса напыления.
      Наибольшее внимание в этой книге уделено освещению именно этих вопросов. При этом использованы результаты работ автора и руководимого им коллектива, а также разработки отечественных и зарубежных исследователей, касающиеся теоретических аспектов теории плазменного напыления.
      В первой главе сформулированы основные требования к материалам и свойствам покрытий в зависимости от эксплуатационных требований к деталям, проведен анализ технических и технологических возможностей газотермических методов нанесения покрытий, рассмотрены факторы, влияющие на свойства плазменных покрытий и способы управления качеством напыленных покрытий.
      Вторая глава посвящена разработке математической модели, на базе которой предложены алгоритмы стабилизации и управления процессом напыления.
      Третья глава посвящена значению ЭВМ в управлении процессом напыления.
      В четвертой главе приведены теоретические и экспериментальные исследования методов управления качеством напыленных покрытий наложением колебаний, электрической дуги пульсирующей мощности, а также напылением с совмещенной электроискровой обработкой подложки.
      Пятая глава посвящена теоретическому и экспериментальному анализу методик исследования процесса напыления и предварительной оценки работоспособности деталей с покрытиями. Здесь же приведены основные принципы создания композиционных армированных покрытий большой толщины.
      В шестой главе рассмотрены вопросы, связанные с разработкой системы автоматизированного проектирования покрытий с применением теории нечетких множеств.
      В седьмой главе изложены обобщенные схемы технологических процессов нанесения покрытий различного функционального назначения, восстановления изношенных деталей и изготовления толстостенных «корковых» деталей. Приведенные в этой главе кинематические зависимости напыления деталей различных конфигураций крайне необходимы для механизированного напыления широкого

Введение

11

   класса деталей и положены в основу для разработки систем управления кинематикой процесса напыления.
      Автор считает своим долгом выразить благодарность академику АН СССР К.С. Колесникову за постоянное внимание к работе; профессору, доктору технических наук В.С. Камалову, оказавшему активную творческую поддержку на всех этапах выполнения работы; кандидатам технических наук В.М. Зурабову, С.А. Лузан, В.А. Таранову, В.Э. Галиеву, И.К. Соколову, а также сотрудникам лаборатории плазменного напыления МГТУ им. Н.Э. Баумана, сотрудникам других лабораторий института и смежных организаций, принимавших участие в обсуждении и апробации результатов работы.
      Автор будет признателен всем читателям, которые пришлют свои замечания и пожелания по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская, 5 или по электронной почте: paf@rambles.ru.

Глава 1
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ
     Развитие современной техники характеризуется ужесточением условий эксплуатации узлов и деталей машин, что обусловливает необходимость повышения физико-механических и эксплуатационных свойств конструкционных материалов. Ввиду высокой стоимости легирующих элементов использование объемно-легированных материалов становится все более нерациональным. К тому же с увеличением содержания легирующих элементов прочность, твердость и износостойкость металла возрастают, однако вероятность хрупкого разрушения повышается. Во избежание этого необходимо создание материала, сочетающего прочную, износостойкую и твердую поверхность нанесенного покрытия с пластичной, вязкой и трещине стойкой основой. Это объясняет все возрастающий в последнее время интерес к покрытиям.
     К числу активно развиваемых и промышленно освоенных методов нанесения защитных покрытий в настоящее время относятся методы газотермического напыления, объединенные единым принципом формирования покрытия из отдельных частиц, нагретых и ускоренных высокотемпературной газовой струей, что обусловливает слоисто-чешуйчатую структуру покрытий. Однако из-за относительно недостаточной их изученности широкое применение газотермические покрытия не получили, в связи с чем необходимы более глубокие теоретические и экспериментальные исследования.

1.1.        Анализ основных требований к материалам и свойствам покрытий в зависимости от условий эксплуатации деталей

     Необходимость применения упрочняющих, восстановительных и декоративных покрытий в машиностроении обусловлена различными условиями эксплуатации детали: температурой, давлением,