Russian Federation
Russian Federation
UDK 621.79 Соединение материалов сваркой, пайкой и склеиванием. Обработка и отделка поверхностей. Хранение и складирование. Упаковка и упаковочные средства
The directions of research in the development of the process of plasma spraying of material are substantiated. The theoretical basis for improving the technology of plasma spraying.
PLASMA SPRAYING, CURRENT MODULATION, COATING PROPERTIES
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Существенным недостатком традиционных установок для плазменного напыления является то, что в них используются дорогие и дефицитные плазмообразующие газы, такие как аргон, водород, гелий, азот и их смеси. Там же, где не требуется высокой химической чистоты покрытий, практический интерес вызывает использование в качестве плазмообразующего газа воздуха. При этом для снижения количества окислов в покрытии и повышения энтальпии плазменной струи используют газовоздушные смеси с добавлением в воздух пропана или природного газа.
Таким образом, актуальной задачей является усовершенствование установок плазменного напыления, работающих на дешевых плазмообразующих газах – воздухе и его смесях с различными присадками. Перспективными способами усовершенствования плазменного напыления являются динамизация газодинамических процессов модуляцией мощности дуги плазмотрона [1, 2], мощное акустическое воздействие на дугу и струю внешними источниками [3-5] и их сочетание с добавлением в плазмообразующий газ различных присадок.
В связи с этим актуальным является разработка электродуговых воздушно-плазменных установок с модулятором тока дуги плазмотрона.
Известно, что на энергообмен в системе «дуга – плазменная струя – обрабатываемый материал» можно влиять воздействием на дугу или плазменную струю мощным воздействием акустического поля генерацией ударных волн [3-9]. При этом источником энергии для этого может служить либо сама дуга, горящая в режиме модуляции источника питания, либо источник внешнего воздействия (генератор акустического поля). В отличие от акустического внешнего поля использование динамизации газодинамических процессов в двухфазном плазменном потоке с помощью модулятора мощности электрической дуги плазмотрона позволяет проще реализовать эффективное воздействие на поток без изменения конструкции плазмотрона, а также усилить воздействие на поток при генерации ударных волн.
При акустическом воздействии на дугу плазмотрона и плазменную струю интенсивностью более 150 Дб усиливается энергообмен в общей системе «дуга – плазмообразующий газ – обрабатываемый материал», так как турбулизация течения способствует увеличению коэффициента теплоотдачи к обрабатываемому материалу [3-5]. Последнее повышает производительность процесса и делает его более экономичным. При обработке дисперсного материала (для плазменного напыления) дополнительно возможно трехкратное увеличение коэффициента лобового сопротивления напыляемых частиц [6] и, вследствие этого, их скорости. Помимо этого, при воздействии на плазменную струю мощным акустическим полем возможна интенсификация дробления напыляемых частиц [7]. В результате дробления образуются менее инерционные мелкие частицы, которые легче нагреваются и ускоряются. Все это приводит к повышению качества покрытия и эффективности процесса.
Ударно-волновое воздействие на электрическую дугу плазмотрона и плазменную двухфазную струю позволяет дополнительно в сравнении с акустическим случаем повысить энергообмен между дугой и дисперсным материалом (частицами). Этому способствует скачкообразное усиление температуры и давления с плотностью на фронте ударной волны и дополнительно, при наличии присадок в плазменной струе, приводить к экзотермическому увеличению энергии в плазменной струе (температуре, давлению и скорости) и к детонационному горению с усиленным ударным воздействием [1, 8]. В работе [9] приводятся данные о формировании ударных волн со скоростями, равными 1,7-3,0 чисел Маха, при генерировании импульсов тока с амплитудами тока и напряжения до 10 кА и 3 кВ соответственно при длительностях 50-300 мкс. Это вызывало на фронте ударной волны скачкообразный рост давления в 3,2-10,4 раза, плотности - в 2,4-5,6 раз, температуры – в 1,45-2,76 раз. По оценкам, приведенным в работе [6], это может повысить коэффициент лобового сопротивления дисперсных частиц в плазменной струе в 2-15 раз, что приводит к срыву пограничного слоя с частиц и соответственно – к росту скорости частиц и теплоподводу к ним [10].
При генерации ударных волн в плазменной струе с помощью дуги (точнее, с помощью импульсного модулятора тока дуги) резкое изменение электрической мощности дуги вызывает резкое выделение джоулева тепла в самой дуге [13-15]. Поскольку поверхность дуги свободна, то интенсивное выделение в ней тепла вызывает резкое расширение дугового столба, который как поршень толкает окружающий его плазмообразующий газ («тепловое давление»). Это позволяет при однополярной импульсной модуляции регулировать тепловой коэффициент нагрева плазменной струи в пре делах ± 20 % ‚а эрозию электродов – в пределах одного порядка [12].
Использование однополярной импульсной модуляции при плазменном напылении позволяет повысить твердость покрытия на 55 ... 60 %, прочность сцепления его с основой при напылении порошка – на 15 ... 40 % и понизить газопроницаемость покрытия на порядок [13].
В результате повышается эффективность плазменной обработки материалов с помощью интенсивного волнового воздействия на плазменную струю и более рационально используется энергия дуги. Однако в этом процессе исследована только часть аспектов плазменной обработки материалов при однополярной модуляции.
Важный интерес вызывает также повышение эффективности процесса плазменной наплавки с помощью модуляции мощности выносной дуги плазмотрона и гибридного процесса плазменного напыления – наплавки [16]. Покрытия, эксплуатирующиеся в условиях высоких динамических нагрузок, в свою очередь, требуют дополнительного упрочнения, в качестве которого целесообразно в силу достоинств использовать процессы тепло- и элекромеханического упрочнения [17, 18], а для профильных поверхностей – виброабразивное шлифование и / или струйно-динамический способ упрочнения микрошариками [19-21].
1. Gutman, B. E. The influence of the modulation of the plasma arc on adhesion and gas permeability of powder coatings / B. E Gutman, M. Kh. Shorshokhov // Physics and chemistry of materials processing. - 1986. - №. 6. - 61-64 p.
2. Kudinov V. V., Ivanov E. M. Plasma by plasma of refractory coatings. - M., Mechanical Engineering, 1975. - 288 p.
3. Lizunkov, T. P. The intensification of plasma spraying when exposed to acoustic and electrical vibrations on a heterogeneous stream / T. P. Lizunkov, V. D. Shimanovich, V. D. Burov // Engineering and Physical Journal, 1965. - T.47. - 12-16 s.
4. Azaronok, V. V. The influence of the external acoustic field ‚on the temperature of the plasma of the arc discharge / V. in Azaronok., N. F. Aleshin, V. A. Gubkevich, T. P. Lizunkov, N. I. Chubrik. V. D. Shimanovich // Engineering and Physical Journal, 1986. - T.51. - M3, 481 - 486 p.
5. Pustovoitenko, A. I. To the assessment of the influence of pulsations of the parameters of heated gas during jet processing of powders / A. I. Pustovoenko, S. A. Panfilov, Yu. V. Tsvetkov // Physics and chemistry of materials processing. 1980. - 151-152 p.
6. Donskoy A. V., Kolognikin V. S. Electric plasma processes and installations in mechanical engineering. - L. : Mechanical Engineering, 1979. - 221 p.
7. Gonopolsky, A. M. The influence of pulsations of plasma flow on the quality of coatings during spraying powder materials. - In the book : The quality and effectiveness of autogenic equipment and processes. Proceedings of VNII AvtoGenmash. - M. : 1981. - 33-41 p.
8. Borshorov, M. Kh., Physico-mechanical foundations of detonation spraying of coatings / M. Kh. Borshorov, Yu. A. Kharlamov. - M. : Nauka, 1987. - 234 p.
9. Minko, L. Ya. Receiving and studying pulsed plasma currents. - Minsk : Science and technology. 1970. - 184 p.
10. Ranger A. A., Nichollos. A. A. Aerodynamic Shattering of Liquind Drops Aiaa Joirnal V.7, № 2. 1969. Pp. 285-290.
11. Raiser, Yu. P. Physics of the gas discharge. - M. : Nauka, 1987 - 692 p.
12. Gutman, B. E. The influence of the modulation of the plasma arc on some parameters of the stirring technology // welding production. - 1984. - № - 9 - 17-19 p.
13. Shorshorov, M. Kh. The influence of the modulation of the plasma arc on the structure of coatings / M H. Shorshorov, R. M. Volkova, V. P. Bozhenov, B. E. Gutman // Physics and chemistry of materials processing. - 1987. - №. 6. - 65-68 p.
14. Kadyrmetov, A. M. The intensification of energy exchange in the heterogeneous plasma stream during the modulation of the electrical parameters of the plasma spraying process / A. M. Kadirmetov // Engineering and Physical Journal. - 2013. - T. 86. - №. 4. - S. 739-746.
15. A. p. 1774828 USSR, MKI (5) H 05 B 7 / 18, H 05 H 1 / 00. The method of applying the coating and the device for its implementation / A. P. Lukyanchuk, A. M. Kadirmetov, B. A. Kaiser, D. I. Stanchev (USSR) - № 4908035 / 07 ; Declared. 08.08.91.
16. Sosnin, N. A. Plasma technologies : Guide for engineers / N. A. Sosnin, S. A. Ermakov, P. A. Topolyansky. - St. Petersburg: Publishing House Polytechnic. University, 2008. - 406 p.
17. Levin, E. L. Thermomechanical strengthening of the details when restoring surfaces / E. L. Levin, I. S. Sinyagovsky, G. S. Trofimov - M. : Kolos, 1974 - 160 p.
18. Bagmuts, V. P. Electromechanical processing: technological and physical foundations, properties, implementation / V. P. Bagmutov, S. N. Parshev, N. G. Dudkin, I. N. Zakharov. - Novosibirsk : Science, 2003. - 318 p.
19. Sukhachev, G. A. Vibration grinding of the heat-protective coating of the surfaces of the part of the industry / G. A. Sukhachev, A. V. Levchenko // Technology. Engineering Technology : Scientific and Technology. Sat. - M. : Mechanical Engineering, 1991. - Issue. 3. - S. 15-18.
20. Smolentsev, V. P. Formation of surfaces of contact and combined processing / V. P. Smolentsev, G. A. Sukhochev, A. V. Bondar // Third International Scientific and Technical Conference on the topic : “The influence of technology on the state of the surface layer - PS 96 ". - GZHOV, Poland, 1996. - S. 171-181.
21. Sukhochev, G. A. Management of the quality of products working in extreme conditions under non-stationary influences. - M. : Engineering, 2004. - 287 p.
22. Kadirmetov, A. M. Equipment for plasma application and hardening of coatings with modulation of electrical parameters / A. M. Kadirmetov, D. I. Stanshev, G. A. Sukhochev // strengthening technologies and coating. - 2010. - № 11 (71). - S. 41-48.
23. Zarodi, M. E. Electric arc discharge in the channel: Author of Dis ... Dr. Techno. sciences. M., 1971. - 425.
24. PAT. 2029308 (Russia), MKI (6) G 01 P 5 / 00. A way to determine the flow rate and the device for its implementation / A. M. Kadirmetov, D. I. Stanshev, Yu. P. Zemskov, A. P. Lukyanchuk, A. V. Kuznetsov ; The applicant and patent holder of the Voroja. Forestry. Inst. - № 5020052 / 10 ; Declared. 03/03/92 ; Publ. 02.20.95, Bul. № 5. - 7 p.
25. Pat. 2063638 (Russia), MKI (6) G 01 P 5 / 18. A device for determining the speeds of a two phase flow / A. M. Kadirmetov, V. I. Smotyev, D. I. Stanchev, A. P. Lukyanschuk ; The applicant and patent holder Voronezh. Forestry. Inst. - № 93031664 / 28 ; Declared. 06.15.93 ; Publ. 07.10.96, Bul. № 19. - 7 p.
26. Kadirmetov, A. M. Study of plasma spraying technology in conditions of modulation of thermophysical flow parameters using the optical diagnosis of the characteristics of the dispersed phase of the pomp [Electronic resource] / A. M. Kadirmetov, I. P. Gulyaev, A. V. Dolmatov, in . I. Kuzmin, E. V. Venatkov, A. S. Pustovalov // Voronezh Scientific and Technical Bulletin. - 2016. - № 2 (16). - S. 16-23. - Access mode: http://vestnikvglta.ru/arhiv/2016/2/3_2_16_2016.pdf.
27. Khasui A., Morigaki O. surfacing and spraying. Khasui A. - M. : Mechanical Engineering, 1985. - 240 p.
28. Tushinsky, L. I. Methods of research of materials: structure, properties and processes of applying inorganic coatings / L. I. Tushinsky, A. V. Kloorov, A. O. Tokarev, V. I. Sindeev. - M. : Mir, 2004. - 284 p.
