Дослідження пластичного деформування часток і розробка раціональних технологічних параметрів газодинамічного напилення металевих порошків - Автореферат

Великий інтерес представляє спосіб «холодного» газодинамічного напилення, що полягає в розгоні часток порошку високошвидкісним газовим струменем і формуванні покриття при їх взаємодії з напилюємою поверхнею. Важливими перевагами способу є відсутність високотемпературних струменів, що дозволяє отримувати покриття в широкому діапазоні товщин, у тому числі з легкоплавких матеріалів, а також достатньо висока продуктивність і безпека технологічного процесу. Характерною особливістю способу газодинамічного напилення є те, що частки розганяються в потоці холодного або слабопідігрітого газу, тому утворення міцного зцеплення на контакті з основою можливе тільки за рахунок пластичної деформації та розігріву часток при ударі. Розроблено математичну модель визначення характеристик напружено-деформованого стану частки при ударі об основу із застосуванням пакету кінцевоелементних програм IMPACT і з урахуванням впливу деформаційного розігріву і реологічних властивостей матеріалу при високих швидкостях деформації. Отримано експериментальні дані про вплив режимів процесу нанесення покриття на міцність зцеплення, пористість, продуктивність процесу, а також дані про корозійну стійкість покрить і про вплив наступної прокатки зразків з покриттям на властивості останнього.В математичній моделі процесу пластичного деформування при ударі використовуються наступні допущення: напружено-деформований стан - осьосиметричний; матеріал часток та основи (у випадку нежорсткої основи) - жорсткопластичний, напруження текучості якого залежить від ступеня, швидкості деформації та температури; залежність напруження текучості від інтенсивності швидкості деформації зсуву - монотоно зростаюча; теплообмін на контакті з основою та навколишнім середовищем відстуній, процес пластичної деформації - адіабатичний. Аналіз літературних даних показав, що в області високих швидкостей деформації (понад 103-104 с-1) напруга плинності лінійно залежить від швидкості деформації і може бути описана за допомогою методу термомеханічних коефіцієнтів як функція інтенсивності швидкостей деформацій зсуву, ступеня деформацій зсуву та температури: , (7) де t т.б - базова напруга плинності; КН, КГ, KQ - відповідно коефіцієнти швидкості і ступеня деформації зсуву, температури. У випадку співудару з жорсткою основою пластичної частки сферичної форми, деформування її може бути уявлене як сукупність двох процесів, що протікають паралельно: опусканння на поверхню основи «боків» частки та локалізація деформації у приконтактній області (так зване «бочкоутворення»). Аналіз вимірностей і серія розрахунків термомеханічних параметрів у діапазоні діаметрів часток, що охоплює їхні можливі розміри при газодинамічному напиленні (5…200 мкм), показали, що температура та тиск на контакті практично не залежать, а діаметр плями контакту і час деформування прямо пропорційні діаметру часток. Таким чином, розроблена модель пластичного деформування часток при співударі з основою дозволила визначити вплив діаметру, початкових умов співудару та властивостей напилюваного порошку на формозмінення часток, температуру на їхньому контакті з основою та час деформування часток, що необхідно для створення загальної математичної моделі процесу газодинамічного напилення металевих порошків.Спосіб газодинамічного напилення має низку переваг (відсутність високотемпературних газових струменів, висока продуктивність, відносно низьке енергоспоживання, можливість отримання покрить у широкому діапазоні матеріалів і товщин та ін.), що дозволяють рекомендувати його для нанесення покрить на металопрокат. Наявні рішення задач високошвидкісного співудару тіл не дозволяють визначити формозмінення, температуру на контакті частка-основа і час деформування часток, які необхідні для розробки загальної математичної моделі процесу газодинамічного напилення і визначення технологічних параметрів процесу. Математична модель, розроблена з використанням пакету кінцевоелементних програм IMPACT, дозволяє визначити характеристики напружено-деформованого стану при високошвидкісному співударі металевої частки і основи. Показано, що при однакових початкових умовах співудару середні температура та тиск на контакті практично не залежать від діаметру часток, час деформування і діаметр плями контакту є пропорційним діаметру частки. Експериментальні дослідження процесу газодинамічного напилення алюмінієвого порошку АСД-1 на основу з низькоуглеродистой стали показали, що при збільшенні температури (50…320С°) і тиску (1,4…2,0 МПА) повітря у форкамері або зменшенні дистанції напилення (30…5 мм) міцність зцеплення покриття з основою і коефіціент напилення збільшуються.

Основний зміст роботи

Спосіб газодинамічного напилення має низку переваг (відсутність високотемпературних газових струменів, висока продуктивність, відносно низьке енергоспоживання, можливість отримання покрить у широкому діапазоні матеріалів і товщин та ін.), що дозволяють рекомендувати його для нанесення покрить на металопрокат. Наявні рішення задач високошвидкісного співудару тіл не дозволяють визначити формозмінення, температуру на контакті частка-основа і час деформування часток, які необхідні для розробки загальної математичної моделі процесу газодинамічного напилення і визначення технологічних параметрів процесу.

Математична модель, розроблена з використанням пакету кінцевоелементних програм IMPACT, дозволяє визначити характеристики напружено-деформованого стану при високошвидкісному співударі металевої частки і основи. Порівняльний аналіз моделей удару у пластичну і у жорстку основу показав прийнятність використання останньої для розрахунку характеристик деформування часток при ударі об основу в умовах газодинамічного напилення.

Вперше отримані залежності середніх температури контакту і радіусу плями контакту частка-основа, кінцевої висоти частки і часу деформування від початкової швидкості і температури сферічних часток. Показано, що при однакових початкових умовах співудару середні температура та тиск на контакті практично не залежать від діаметру часток, час деформування і діаметр плями контакту є пропорційним діаметру частки. При збільшенні початкових швидкості і температури часток температура і радіус плями контакту збільшуються, висота частки знижується. Зі зростанням початкової швидкості час деформування зменшується до деякої величини, а при подальшому збільшенні швидкості - зростає.

Проведено аналіз впливу властивостей часток на термомеханічні характеристики їхнього деформування. Встановлено, що при однакових початкових умовах співудару при збільшенні щільності або зниженні питомої теплоємності (наприклад, при використанні часток з цинку, сталі) частки набувають більшу деформацію, час деформування зростає. Температура контакту знижується при збільшенні густини та питомої теплоємності, або при зменшенні базисної напруги плинності.

Аналіз фізико-хімічних процесів, що протікають при газодинамічному напиленні, дозволив вперше розробити загальну математичну модель газодинамічного напилення металевих порошків, яка враховує формозміненння та нагрів твердих металевих часток при ударі об основу. Розроблені алгоритм і програма розрахунку технологічних параметрів процесу газодинамічного напилення металевих порошків.

Отримані теоретичні залежності характеристик руху газопоршкової суміші та контактної взаємодії часток алюмінія і цинку з основою з низьковуглецевої сталі від діаметра часток, температури та тиску у форкамері соплового апарату, довжини сопла та витрати порошку.

Експериментальні дослідження процесу газодинамічного напилення алюмінієвого порошку АСД-1 на основу з низькоуглеродистой стали показали, що при збільшенні температури (50…320С°) і тиску (1,4…2,0 МПА) повітря у форкамері або зменшенні дистанції напилення (30…5 мм) міцність зцеплення покриття з основою і коефіціент напилення збільшуються. Показана добра відповідність експериментальних і теоретичних залежностей відношення міцності зцеплення до міцності матеріалу покриття та відносного числа звязків на контакті від температури підігріва повітря у форкамері. При збільшенні температури повітря у форкамері або товщини покриття величина наскрізної пористості знижується. У разі напилення дрібних алюмінієвих порошків типу АСД товщина покриття 100…120 мкм є цілком прийнятною з точки зору корозійної стійкості. При збільшенні видатку порошку збільшується продуктивність процесу, однак коефіціент напилення знижується.

Експерименти з прокатки сталевих штаб з алюмінієвими покриттями показали, що у діапазоні величин відносних обтисків штаби з покриттям 4…60% та співвідношенні товщин шарів покриття і основи 0,07…0,3 відносний обтиск покриття у декілька (2…6) разів більше відносного обтиску основи. При збільшенні відносного обтиснення зразка з покриттям зростає міцність зцеплення покриття (до 1,6 раза), наскрізна пористість знижується.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень використані при розробці технології процесу газодинамічного напилення порошкових покрить на зовнішню поверхню труб і в проекті устаткування дільниці газодинамічного напилення покрить у цеху 5 ПТЗ, виконаному НПП «Прецизіонтруб-Південь».

Данченко В.Н., Миленин А.А., Головко А.Н. Теоретический анализ деформирования частиц порошка в процессе высокоскоростного напыления // Доклады Национальной академии наук Украины. - 1995. - №11. - С. 46-49.

Данченко В.Н., Кондратьев С.В., Головко А.Н. Нанесение металлических покрытий способом газодинамического напыления // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1997. - №3, - С. 46-49.

Данченко В.Н., Головко А.Н. Математическое моделирование процесса газодинамического напыления металлических покрытий // Теория и практика металлургии. - 1998. - №1. - С. 31-34.

Данченко В.Н., Миленин А.А., Головко А.Н. Исследование деформирования частиц порошка при высокоскоростном напылении // Теория и технология процессов пластической деформации - 96. Труды научно-технической конференции. - М.: МИСИС, 1997. - С. 489-494.

Данченко В., Головко О. Аналіз фізико-хімічних процесів, що протікають при газодинамічному напиленні металевих покрить // Наука і освіта. Кн.ІІІ: Зб. наукових праць. - К.: Хрещатик, 1997. - С. 103-109.

Головко А.Н., Миленин А.А., Данченко В.Н. Математическое моделирование ударного деформирования частиц порошка при газодинамическом напылении. - Гос. металлург. академия Украины. - Днепропетровск, 1996. - 21 с. - Деп. в ГНТБ Украины, №1765 - Ук 96.

Анализ особенностей физико-химических процессов, протекающих при нанесении порошковых покрытий высокоскоростным напылением / В.Н. Данченко, С.Е. Подольский, Н.Г. Садовский, С.В. Кондратьев, А.Н. Головко, М.В. Кукатов. - Днепропетровск, Гос. металлург. Академия Украины. 1994. - 10 с. Деп. В ГНТБ Украины, №2038 - Ук 94.

Особенности выбора технологических параметров высокоскоростного напыления порошков на металлическую подложку / В.Н. Данченко, С.Е. Подольский, А.Н. Головко, М.В. Кукатов. - Днепропетровск, Гос. металлург. Академия Украины. 1994. - 11 с. Деп. в ГНТБ Украины, №2039 - Ук 94.

Компьютерная модель процесса высокоскоростного напыления порошковых материалов / В.Н. Данченко, С.Е. Подольский, Н.Г. Садовский, А.Н. Головко, М.В. Кукатов. - Днепропетровск, Гос. металлург. Академия Украины. 1994. - 12 с. Деп. в ГНТБ Украины, №2040 - Ук 94.

Данченко В., Головко О. Вибір параметрів нанесення покриття високошвидкісним напиленням порошків // Перша міжнародна конференція «Конструкційні та функціональні матеріали», тези доповідей. - Львів, Держ. університет «Львівська політехніка», 1993. - С. 172.

Размещено на .ru