Сверхзвуковая газопорошковая наплавка

М. В. Радченко, Т. Б. Радченко, В. С. Киселёв




СВЕРХЗВУКОВАЯ ГАЗОПОРОШКОВАЯ НАПЛАВКА

Учебник

Под общей редакцией доктора технических наук, профессора
М. В. Радченко















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.791.7
ББК 34.641
    Р15

Рецензенты:
д. т. н., профессор, зав. кафедрой современных методов сварки и контроля конструкций Уфимского государственного авиационного технического университета Валерий Владимирович Атрощенко;
к. т. н., с. н. с., руководитель Аттестационного центра лабораторий неразрушающего контроля Головного аттестационного центра Алтайского региона НАКС Вольферц Геннадий Анатольевич


    Радченко, М. В.

Р15 Сверхзвуковая газопорошковая наплавка : учебник / М. В. Радченко, Т. Б. Радченко, В. С. Киселёв ; под общ. ред. д. т. н., проф. М. В. Радченко. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 464 с. : ил., табл.
          ISBN978-5-9729-1121-9

          Изложены материалы сравнительного анализа дозвуковых способов напыления и наплавки и принципиально нового авторского способа сверхзвуковой газопорошковой наплавки. Рассмотрены базовые основы конструирования сверхзвуковых сопел Лаваля для газопорошковой наплавки, вопросы технологии наплавки, методов исследования технологических параметров процесса наплавки и прочностных характеристик наплавленных покрытий, а также принципы автоматизации процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки, диагностирования сверхзвуковых газопорошковых струй и оптимизации процесса наплавки с использованием методов математического моделирования.
          Для студентов направления 15.03.01 «Машиностроение», направленности (профиля) «Оборудование и технология сварочного производства», а также слушателей факультетов повышения квалификации и переподготовки кадров в области сварочного производства.

УДК621.791.7
ББК 34.641







ISBN 978-5-9729-1121-9

    © Радченко М. В., Радченко Т. Б., Киселёв В. С., 2023
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................9
1 МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ..........................13
1.1 Способы напыления защитных покрытий......................20
1.2 Способы наплавки защитных покрытий.......................41
1.3 Комбинированные способы создания защитных покрытий.......65
1.4 Выбор способа нанесения защитного покрытия...............72
1.5 Материалы для создания защитных покрытий.................79
   1.5.1 Напыляемые материалы................................81
   1.5.2 Наплавочные материалы...............................88
   1.5.3 Выбор материала для наплавки защитных покрытий......90
2  УСТАНОВКИ ГАЗОПЛАМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ.....................................................91
2.1 Дозвуковые газопламенные установки.......................96
2.2 Сверхзвуковые газопламенные установки...................102
2.3 Горелочные устройства сверхзвуковых газопламенных установок.113
2.4 Порошковые питатели.....................................120
3  ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ УСТАНОВОК ДЛЯ ГАЗОПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКИ.....................................138
3.1 Расчет сверхзвукового сопла Лаваля......................141
3.2 Сверхзвуковые и дозвуковые газопламенные наплавочные сопла..148
   3.2.1 Конструкция первого опытного сверхзвукового наплавочного сопла.......................................148
   3.2.2 Дозвуковые наплавочные сопла.......................149
   3.2.3 Технические характеристики газопламенных наплавочных сопел.... 151
3.3 Схемы подачи наплавочного порошка для СГП наплавки......166
3.4 Конструирование сверхзвуковых газопорошковых сопел для СГП наплавки............................................170
   3.4.1 Определение длины цилиндрического участка сопла Лаваля.170
   3.4.2 Конструкция пистолета с соплом М5 и радиальным подводом порошка............................171
   3.4.3 Защита основных узлов сверхзвуковой газопорошковой наплавочной установки....................................173
3.5 Автоматизация установки СГП наплавки....................177
3.6 Конструкция универсальной сверхзвуковой наплавочной газопорошковой установки...................................................180
4  ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЦЕССОВ ДОЗВУКОВОЙ И СВЕРХЗВУКОВОЙ ГАЗОПОРОШКОВЫХ НАПЛАВОК.....................................187
4.1 Технологические параметрыдозвуковой исверхзвуковой газопорошковых наплавок.....................................187
4.2 Оценка качества свойств защитных покрытий, выполненных дои сверхзвуковой газопорошковыми наплавками..................192

3

4.3 Механические и эксплуатационные свойства защитных покрытий, выполненных дозвуковой газопорошковой наплавкой.................199
   4.3.1 Структура металлов основного и защитного покрытия....202
   4.3.2 Фазовый состав защитного покрытия........................205
   4.3.3 Механические свойства наплавленных покрытий..........206
   4.3.4 Износостойкость защитных покрытий, наплавленных способом
       дозвуковой ГПН.........................................209
4.4 Механические и эксплуатационные свойства защитных покрытий, выполненных сверхзвуковой газопорошковой наплавкой.............213
   4.4.1 Микроструктура защитных покрытий.....................216
   4.4.2 Фазовый состав защитных покрытий.....................219
   4.4.3 Микротвердость защитных покрытий.....................221
   4.4.4 Износостойкость защитных покрытий, наплавленных способом
       сверхзвуковой ГПН......................................228
4.5 Сравнительный анализ свойств защитных покрытий при дозвуковой и сверхзвуковой газопорошковой наплавке........................230
4.6 Формирование свойств защитных покрытий сверхзвуковой газопорошковой наплавкой.......................................235
5  АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА СГП-НАПЛАВКИ........................241
5.1 Принципы построения систем управления газопламенных установок.241
5.2 Параметры управления СГП-наплавкой........................251
5.3 Автоматическое управление СГП-наплавкой...................264
   5.3.1 Алгоритм САУ параметрами расхода рабочих газов.......266
   5.3.2 Структурная схема САУ параметрами расхода газов......269
   5.3.3 Программное управление газорегулирующей системой
       СГП-наплавки...........................................276
5.4 Система автоматического управления СГП наплавкой..........291
    5.4.1 Средства измерения технологических параметров СГП-наплавки.. 291
    5.4.2 Определение рабочих диапазонов горючих газов............298
    5.4.3 Взаимосвязь диапазона рабочих газов и мощности
         газопламенной струи......................................301
6  ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВЫХ СТРУЙ НА КАЧЕСТВО
   НАПЛАВЛЕННЫХ ПОКРЫТИЙ......................................307
6.1 Техническое обеспечение измерений технологических параметров СГП-наплавки...................................................307
   6.1.1 Измерение расхода рабочих газов......................307
   6.1.2 Измерение температуры СГП струи......................309
   6.1.3 Регистрация спектра СГП струи........................310
   6.1.4 Измерение скорости пролёта порошковых материалов
        в СГП струе...........................................312
6.2 Обеспечение достоверности результатов измерений...........320

4

6.3 Влияние технологических параметров газовых струй на качество наплавленных покрытий..........................................324
   6.3.1 Соотношение рабочих газов при наплавке газовыми струями.324
   6.3.2 Распределение температуры нагрева
        по длине сверхзвуковой газовой струи.....................328
   6.3.3 Распределение температуры по длине сверхзвуковой газопорошковой струи.........................................344
   6.3.4 Распределение частиц порошкового сплава в СГП струе...349
7  ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ СПОСОБОМ СГП-НАПЛАВКИ...............................353
7.1 . Планирование эксперимента..................................353
7.2 Программные средства обобщения характеристик наплавленных покрытий, определяющих их качественные параметры..........................357
   7.2.1 Программные продукты для моделирования
        и прогнозирования свойств сварных соединений.............359
   7.2.2 Программные продукты для моделирования
        и прогнозирования свойств защитных покрытий............371
7.3 Безразмерные критерии оценки качества процесса СГП-наплавки..376
7.4 Прогнозирование эксплуатационных свойств покрытий,
   наплавленных СГП струёй.....................................388
   7.4.1 Основные факторы, определяющие качество наплавляемого защитного покрытия............................388
   7.4.2 Регрессионный анализ в процессах СГП наплавки защитных покрытий...........................................391
   7.4.3 Термические циклы при нагреве газовыми струями........399
7.5 Структуры и свойства защитных покрытий, наплавленных СГП наплавкой.....................................401
   7.5.1 Выбор режимов наплавки................................401
   7.5.2 . Исследование структуры наплавленного слоя...........402
   7.5.3 Аппаратура, материалы и методики экспериментальных
        исследований процесса СГП-наплавки.....................409
8  ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ СГП НАПЛАВКИ......................................412
8.1 Первая отечественная технологическая аппаратура для СГП наплавки...............................................412
8.2 Насосное оборудование......................................415
8.3 Теплоэнергетические установки..............................424
8.4 Метод прогнозирования качества покрытий при СГПН...........428
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................432
ПРИЛОЖЕНИЕ А Сравнение устройств термического напыления.....................444

5

ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Основные схемы электрошлаковой наплавки................447
ПРИЛОЖЕНИЕ С
Патент на полезную модель №60410.......................448
ПРИЛОЖЕНИЕ Д
Типы программируемых логических контроллеров...........450
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж
Акты внедрения СГП-наплавки...........................457

6

     Уважаемый читатель!


    Достижения России, Советского Союза в области сварки общепризнаны на мировом уровне. Талантом и трудом русских инженеров созданы и получили развитие многие известные сегодня виды сварки: дуговая ручная, автоматическая под флюсом, дуговая в углекислом газе, вакуумная, порошковой проволокой; электрошлаковая; электроннолучевая; лазерная; диффузионная; трением; ультразвуковая и др. Первой в мире наша страна провела сварку под водой, в космосе, сварку костей в живом человеческом организме. Для реализации этих сварочных процессов русскими учеными и инженерами были разработаны многие оригинальные виды сварочного оборудования, сварочных материалов и технологий.
    Успехи в области сварки позволили осуществить настоящий переворот в ряде сфер производства, создать высокоэкономичные конструкции машин и сооружений, в разы повысить производительность труда.
    Развитие процесса наплавки родственному сварке также связано с появлением электрической дуги В. В. Петрова и использованием газового пламени для ремонтных работ.
    В предлагаемом учебнике рассмотрены различные аспекты принципиально нового технологического процесса, разработанного в России, и не имеющего аналогов за рубежом - сверхзвуковой газопорошковой наплавки (СГП-наплавки) многофункциональных покрытий, имеющего патенты РФ на устройство и на способ наплавки.
    Как известно, скорость звука в воздушной среде при температуре 20 ⁰С составляет 340 м/с. Иногда, предельно упрощенно скорость звука определяют числом, при этом 1 Мах условно равен 340 метрам в секунду или 1224 км/ч.
    Это физическое явление - сверхзвуковое истечение газовой струи, лежит в основе достаточно известного технологического процесса сверхзвукового напыления защитных порошковых материалов. Такие технологии разрабатывались и достаточно успешно развиты преимущественно в США и последние годы в Российской Федерации.
    Однако, все процессы напыления имеют существенное ограничение применения по такому параметру, как прочность сцепления с защищаемой поверхностью Осц, которая по самым оптимистичным данным не превышает 140 МПа, и никогда не может приблизиться к пределу прочности, например, стали 45 (Ов = 600 МПа). Этот недостаток процессов напыления зачастую приводит к отслоению напылённых покрытий, что отсутствует в процессах наплавки, при которых создаётся неразъёмное соединение покрытий с защищаемой поверхностью.

7

    В учебнике представлен достаточно большой объём данных, в основе которых лежат результаты ряда диссертационных исследований под руководством автора, посвящённых конструкции устройств и материалов для СГП-наплавки, технологических особенностей процесса, структуры и свойств наплавленных покрытий. Также подробно рассмотрены основы автоматизации процесса СГП-наплавки и прогнозирования технологических параметров и служебных свойств наплавленных покрытий.
    Безусловным критерием любого технологического процесса является его практическое применение. И несмотря на относительную молодость разработанного нового процесса наплавки, в учебнике приведены примеры практического использования сверхзвуковой газопорошковой наплавки и её перспективы в машиностроительном комплексе страны.
     Надеемся, что материал этого учебника будет интересен и полезен для конструкторов и разработчиков технологических процессов создания защитных покрытий на изделиях машиностроения.

От авторов
д.т.н., профессор М. В. Радченко

8

        ВВЕДЕНИЕ


   Как известно, такие устройства, как например, строительные, мостовые конструкции, газовые магистрали, энергетическое оборудование относятся к опасным промышленным объектам, подведомственным Ростехнадзору. Участившиеся за последние годы техногенные катастрофы, зачастую связанные со сварными конструкциями, заставляют пересмотреть проблему безопасности сварочного производства, в частности, повышения качества сварных соединений и наплавленных покрытий (рисунок В.1).


а)                                  б)
Рисунок 1 - Техногенные катастрофы в аквапарке «Трансвааль» (а) и на Саяно-Шушенской ГЭС (б)

    Так, проблемы изнашивания рабочих поверхностей (рисунок 2) обуславливают необходимость развития новых способов поверхностного упрочнения и их практического использования, как при изготовлении, так и при ремонте и реконструкции узлов и деталей установок. Особо остро проблема поверхностного износа проявляется в теплоэнергетике, где интенсивному высокотемпературному газоабразивному износу подвергаются рабочие поверхности таких деталей котлов с «кипящим слоем», как трубы пароперегревателей, колпачки трубных досок, элементы запорной арматуры и др.
    Паровые и водогрейные котлы с т.н. низкотемпературной топкой или котлы с «кипящим слоем» работают на низкосортных региональных видах топлива и под давлением пара более 0,07 МПа , водогрейные котлы с температурой воды выше 115 ОС (рисунок 3). Такого рода котлы способны вырабатывать тепло для малых городов с численностью населения порядка 200 тысяч человек.


9

Рисунок 2 - Основные виды изнашивания в машиностроении

    Однако, недостатком таких установок является чрезвычайно быстрый износ поверхности труб, вплоть до появления сквозных свищей, что может приводить к катастрофическому разрушению котла (рисунок 4). При этом межремонтный период котлов с незащищенными экранными трубами в зависимости от типа углей (каменный или бурый) составляет 1,5...2,5 месяца. А стоимость ремонта одного котла с заменой комплекта экранных труб составляет порядка 600 тыс. рублей.

Рисунок 3 - Общий вид котла с «кипящим слоем» разработки Бийского котельного завода

    Следует отметить, что из практики выполнения сварочных работ известно, что создание защитных покрытий на трубных элементах таких котлов составляет не более 10% от стоимости котла средней мощности при увеличении срока непрерывной эксплуатации в 3-4 раза.


10

   При этом социальные последствия аварийного останова котла, особенно в зимний отопительный сезон, сопряжены не только с экономическими потерями, ноис размораживанием жилых и социальных объектов.
   При этом разработка и реализация новых технологических методов упрочнения представляет собой довольно сложную проблему, как в производстве, так и в науке. В каждом конкретном случае упрочнения поверхности какой-либо детали требуется индивидуальный подход при выборе того или иного способа наплавки и его технологических параметров.
   Использование в качестве источников нагрева концентрированных потоков энергии, в частности, сверхзвуковых газовых струй, и достоинств самофлюсую-щихся порошковых сплавов делает способ сверхзвуковой газопорошковой наплавки порошковых материалов (СГП-наплавки) одним из наиболее перспективных процессов создания поверхностей с заданными служебными свойствами, имеющим самостоятельное научное и прикладное значение.


Рисунок 4 - Характерный вид катастрофического изнашивания поверхностей нагрева котлов с «кипящим слоем» через 1,5-2 месяца эксплуатации

    Однако, проблема наплавки износостойких покрытий из высоколегированных сплавов сверхзвуковой газовой струей, исследования свойств наплавленного металла еще мало изучена и описана в научно-технической литературе. Анализ технической информации по заявляемой теме выявил крайне малое количество научных публикаций, в которых рассматриваются различные аспекты создания защитных покрытий с использованием сверхзвуковых газовых струй.
    Отсутствие обобщающего теоретического анализа, научно-обоснованного выбора технологических режимов создания защитных покрытий с помощью сверхзвуковой ГПН, а значит, и концепции управления качеством покрытий сдерживает использование данного процесса в промышленности.
    В этой связи остро стоит вопрос использования математического аппарата для прогнозирования технологических параметров процесса создания защитных слоев сверхзвуковой газопорошковой наплавкой, в частности на основе износостойких легированных порошковых материалов системы Ni-Cr-B-Si с различными фракциями.

11

    В настоящее время совершенно очевидно, что только использование технических возможностей современной компьютерной техники для комплексного анализа технологических вариантов сварки и наплавки путем моделирования совокупности протекающих в металле процессов, позволит получать оптимальные технологические решения при значительном снижении ресурсоемкости самого процесса разработки.
    Поэтому разработка методики прогнозирования качества защитных износостойких покрытий из порошковых самофлюсующихся материалов системы Ni-Cr-B-Si, наплавленных сверхзвуковой газовой струей, особенно на опасных промышленных объектах Ростехнадзора является актуальной проблемой.

12

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ


    Многие отрасли промышленности, такие как, например, энергетика, являются энерго- и материалоемкими, а также, как упоминалось выше, относятся к опасным производственным объектам (ОПО), подведомственным Ростехнадзору.
    Условия эксплуатации деталей различных механизмов и машин зачастую характеризуются высокими механическими и тепловыми нагрузками, а также воздействием различных агрессивных сред. При этом состояние поверхностного слоя деталей машин является важнейшим фактором прочности, надежности и долговечности всего изделия или механизма в целом. Это объясняется тем, что разрушение конструкционного материала начинается обычно с его поверхности (рисунок В.2), что, в свою очередь, приводит не только к потере необходимой прочности изделия, ноик ухудшению нормальной работоспособности из-за образования различных дефектов поверхности изделия, вследствие абразивного износа, воздействия активных сред и т. д. Проблема непрогнозируемого износа рабочих поверхностей особенно актуальна в случаях с раз

личными ответственными конструкциями и сооружениями, такими, как объекты, подведомственные Ростехнадзору. Практическим примером этому является отрасль теплоэнергетики, где происходит катастрофически опасный износ элементов тепловых, атомных и гидроэлектростанций (как например, Саяно-Шушенская ГЭС).
   Проблемы износа рабочих поверхностей обуславливают необходимость развития различных способов поверхностного упрочнения и их широкое использование, как в машиностроении, так и при ремонте и восстановлении деталей механизмов и машин. Также необходимы новые технологии, материалы, оборудование и четко сформулированные технические требования, учитывающие характер и величины износа, воздействующие на конкретные детали при эксплуата-

ции.
    Согласно [19] около 80% деталей машиностроения имеют металлические, керамические, полимерные или композиционные покрытия для защиты от коррозии, износа и высокотемпературного окисления, а также специальных целей (уплотнения, создания термических барьеров, требуемых оптических характеристик, декоративных свойств идр.) (рисунок 1.1).
    При производстве изделий машиностроения наиболее широко

Каталитические

Рисунок 1.1 - Структура покрытий различного назначения

13

применяются покрытия, наносимые по технологиям газотермического напыления, химического и электрохимического, физического (PVD - Physical Vapour Deposition) и термохимического (CVD - Chemical Vapour Deposition) осаждения и др. (рисунок 1.2).
    Следует отметить, что наиболее интенсивно развивающимися технологиями нанесения покрытий являются газотермическое напыление, PVD и CVD, плазменная и лазерная наплавка. Наряду с этим снижается использование экологически опасных процессов, в том числе химического и гальванического осаждения. Развитие получают также процессы нанесения полимерных композиционных и многослойных покрытий: электрофорез, электростатическое напыление, окунание, центробежный метод и др., позволяющие формировать полимерные и твердосмазочные покрытия на машиностроительных деталях различного назначения [19].


Газотермические                               Плазменное
18%                                         62%

Рисунок 1.2 - Широта применения различных методов нанесения покрытий

    Использование тех или иных методов поверхностного упрочнения конструкционных материалов позволяет решать многие важнейшие технические задачи, хотя сама разработка и реализация данных технологических методов упрочнения представляет собой довольно сложную проблему, как в производстве, так и в науке. В каждом конкретном случае упрочнения поверхности какой-либо детали требуется детальный подход при выборе того или иного способа упрочнения или нанесения защитных покрытий. Делая заключение о целесообразности внедрения того или иного способа, особое внимание следует обращать на экономические факторы.
   В большинстве случаев эта задача может быть успешно решена применением способов напыления и наплавки как способов поверхностного упрочнения материалов [2-8]. Следует отметить, что использование различных методов поверхностного упрочнения практически всегда экономически выгодно, поскольку позволяет производить детали из более дешевых материалов. При этом относительно дорогостоящие материалы, обеспечивающие требуемые эксплуатаци

14