Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Электротехнология

Диссертационная работа:

Трофимов Дмитрий Викторович. Разработка и исследование процесса плазменного напыления однородных металлических покрытий с формированием потока частиц ультразвуковым распылением пруткового материала : Дис. ... канд. техн. наук : 05.09.10 : Саратов, 2004 172 c. РГБ ОД, 61:05-5/570

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

стр.

Введение 5

Глава 1

Анализ методов повышения качества плазменных покрытий 11

1.1 Основные закономерности и особенности формирования
покрытий при напылении. Пути совершенствования процессов
плазменного напыления покрытий 11

  1. Особенности напыления порошковых материалов 22

  2. Физико-химические и механические процессы

при распылении расплавов 30

1.1.3 Особенности напыление с использованием прутковых материалов 35

1.2 Регулирование адгезионных и структурных характеристик
покрытий при помощи внешних энергетических воздействий 38

  1. Ультразвуковое распыление расплава 38

  2. Напыление с воздействием ультразвука на покрытие 40

  3. Напыление с воздействием ультразвука на струю плазмы и

частиц 45

1.2.4 Напыление с сообщением ультразвуковых колебаний изделию..... 50

1.3 Выводы 56

1.4 Задачи исследований 57

Глава 2

Исследование возможности повышения однородности частиц в потоке

при их образовании путем ультразвукового распыления

первичной капли напыляемого материала 58

2.1 Формирование размеров расплавленных частиц в скоростном

газовом потоке и их однородность 58

2.2 Модель формирования размеров частиц при их образовании
ультразвуковым распылением расплавленной части пруткового
материала 59

  1. Кинетика плавления и ультразвукового распыления расплавляемого материала 59

  2. Влияние основных технологических режимов напыления

на размеры частиц в потоке 72

2.3 Выводы 75

Глава 3

Экспериментальные исследования процесса плазменного напыления
покрытий при распылении пруткового материала с воздействием
ультразвука 76

3.1 Методика экспериментальных исследований 76

3.1.1 Разработка плана экспериментов. Методы обработки

результатов 76

  1. Построение эмпирических моделей 79

  2. Экспериментальное оборудование.

Исследуемые материалы и оснащение 81

3.2 Физическое моделирование процесса напыления

с воздействием ультразвука на прутковый материал 84

3.3 Исследование морфологии и структуры плазменных покрытий 87

  1. Гранулометрический состав напыляемых порошков и частиц образованных ультразвуковым распылением 87

  2. Влияние ультразвуковых колебаний распыляемого пруткового материала на однородность агломератов первого слоя покрытия 92

  3. Исследование морфологии поверхности

и пористой структуры покрытий 110

3.3.4 Влияние ультразвуковых колебаний распыляемого пруткового
материала на однородность и величину адгезии покрытий 125

3.4 Выводы 127

Глава 4

Технологические рекомендации по плазменному напылению с

воздействием ультразвука на распыляемый прутковый материал 128

  1. Управляющие переменные процесса 128

  2. Определение скорости подачи пруткового материала

в плазменную струю 129

  1. Рекомендуемые технологические режимы плазменного напыления покрытий при воздействии ультразвука на прутковый материал 136

  2. Выводы 140

Глава 5

Практическая реализация результатов исследований 141

5.1 Рекомендуемые объекты внедрения разработанного способа

141
напыления

  1. Устройство подачи пруткового материала в поток плазмы 142

  2. Оценка ожидаемой технико-экономической эффективности

процесса 144

Заключение 153

Литература 155

Приложения. Акты внедрения

Введение к работе:

Актуальность работы. Развитие современного транспорта, машино- и приборостроения, а также медицинской техники и товаров народного потребления характеризуется все возрастающим применением новых конструкционных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Проблема ограниченности природных запасов большинства химических элементов, составляющих основу этих материалов, решается путем применения сложных структур, в которых основа выполнена из «обычных» легко обрабатываемых и широко распространенных компонентов, а функциональную нагрузку выполняет покрытие из материалов с заданным комплексом свойств. В настоящее время наиболее эффективными методами формирования таких покрытий являются процессы газотермического напыления, среди которых плазменное напыление можно считать наиболее универсальным и легко управляемым. Технологические преимущества плазменного напыления, заключающиеся в возможности получения из различных, в том числе и композиционных, материалов покрытий разной плотности, толщины и твердости, с требуемыми защитными, газодиффузионными и другими свойствами, реализуются благодаря работам Рыкалина Н.Н., Кудинова В.В., Харламова Ю.Н., Лясникова В.Н. и других отечественных и зарубежных ученых, заложивших научные основы формирования, технологического регулирования и исследования свойств покрытий, создания специального оборудования для напыления в воздушной, нейтральной атмосфере, и динамическом вакууме.

Однако плазменное напыление является стохастическим процессом, вследствие чего покрытия обладают существенной неоднородностью свойств. Совершенствование техники, в особенности электронного и авиационного приборостроения, создание современных авиаракетных и автомобильных двигателей, гидро- и пневмоаппаратуры, медицинских изделий со специальными биомеханическими характеристиками, требует значительного повышения качества изделий с покрытиями, определяемого в большинстве

6 случаев однородностью характеристик покрытия, которую весьма сложно

достичь при использовании существующих методов напыления.

Известные методы повышения однородности отдельных характеристик покрытий путем воздействия газоразрядной плазмы, пульсаций плазменной струи, совершенствования кинематики процесса, применения экранов не решают проблемы, поскольку направленно воздействуют только на один параметр покрытия или сами являются трудно управляемыми процессами.

Исследования Клименова В.А., Бекренева Н.В., Серянова Ю.В. по воздействию ультразвука на покрытие и поверхность основы в процессе напыления показали перспективность применения этого метода для выравнивания пористой структуры и морфологии покрытия. Однако при воздействии ультразвука на поверхность основы не обеспечивается получение вполне однородных покрытий на изделиях типа газодинамических опор, дентальных имплантатов и т.д., вследствие неоднородности параметров исходных напыляемых частиц. Очевидно, что наибольший эффект может быть достигнут при формировании изначально однородного потока частиц, имеющих одинаковые размеры, одинаковую степень проплавлення и близкую скорость полета. Для этой цели также можно использовать ультразвуковое воздействие, как достаточно просто управляемый и неэнергоемкий процесс. Теоретическое и экспериментальное обоснование использования ультразвука для формирования потока одинаковых по параметрам частиц при плазменном напылении в настоящее время практически не разработано. Поэтому тема диссертационной работы с учетом выше изложенного является актуальной для науки и практики.

Цель работы заключается в повышении качества металлических плазменных покрытий за счет формирования однородного потока частиц путем распыления пруткового материала, помещенного в струю плазмы, при помощи ультразвука и разработке технологического процесса напыления.

Поставленная цель достигается последовательным решением следующих задач;

  1. Анализ существующих методов повышения эффективности процесса электроплазменного напыления, в том числе в ультразвуковом поле, и разработка наиболее эффективной схемы воздействия ультразвука на параметры напыляемых частиц.

  2. Разработка математической модели, адекватно описывающей связь размеров частиц со свойствами материала и режимами напыления.

  3. Теоретическое и экспериментальное исследование факторов, наиболее сильно влияющих на форму и размеры частиц, а также на свойства покрытия.

  4. Разработка технологического процесса, обеспечивающего повышение равномерности микрорельефа и пористой структуры покрытия, а также технических предложений по созданию устройства обеспечивающего реализацию процесса на практике.

  5. Внедрение результатов исследований.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

  1. Найденная закономерность образования потока одноразмерных частиц в плазменной струе при ультразвуковом воздействии позволяет формировать покрытия с минимальным разбросом параметров в зависимости от материала.

  2. Полученное соотношение параметров технологического процесса электроплазменного напыления с наложением ультразвука обеспечивает заданные свойства покрытия, при этом однородность микрорельефа покрытия, оцениваемая по среднеквадратичному отклонению высоты элементов шероховатости и их шага, возрастает в 1,3 — 1,89 раза по сравнению с распылением пруткового материала и до 9 раз по сравнению с использованием для напыления порошковых материалов.

  1. Предложенный способ электроплазменного напыления металлических покрытий, при котором покрытие формируют потоком частиц, образующихся путем распыления пруткового материала, расплавляемого в струе плазмы, отличается тем, что распыление осуществляют за счет сообщения ему ультразвуковых колебаний, обеспечивает уменьшение разброса параметров покрытий (дисперсия размеров частиц в потоке снижается в 2,8 раза, а

агломератов - в 4,5 раза) по сравнению с напылением порошковых материалов и с газоструйным распылением прутка.

4. Найденные математические выражения позволяют адекватно установить корреляцию между размерами частиц, свойствами материала, режимами электроплазменного напыления и ультразвукового воздействия и вполне пригодны для феноменологического описания процесса.

Методы и средства исследований. При выполнении работы использованы научные основы плазменного напыления, основные положения термодинамики и теплопередачи, газоструйного и акустического распыления расплавов. Эксперименты проведены, а их результаты обработаны с применением методов математического планирования и регрессионного анализа. Использована стандартная (микроскопы МИМ-8, МИМ-7, профилограф 170111, компьютерный анализатор изображений микроструктур АГПМ-6) и оригинальная разработанная автором аппаратура для сообщения материалу ультразвуковых колебаний и подачи его в струю плазмы. Обработка результатов на компьютере Pentium-4 выполнена с использованием программ Advanced Grapher, Regress и 3D Grapher.

Научная новизна:

  1. Предложен новый способ электроплазменного напыления металлических покрытий, отличающийся тем, что распыление части пруткового материала, расплавляемого плазменной струей, осуществляют за счет сообщения прутку ультразвуковых колебаний, что позволяет уменьшить разброс параметров покрытия по сравнению с другими способами напыления.

  2. Найдены оптимальные параметры процесса электроплазменного напыления, обеспечивающие формирование однородного потока частиц в струе плазмы и покрытия с минимальным разбросом параметров.

  3. Предложена феноменологическая модель, адекватно описывающая физические процессы образования напыляемых частиц в плазме дугового разряда при ультразвуковом воздействии на распыляемый прутковый материал.

  1. Установлено, что наибольшее влияние на размеры частиц, формирующихся в условиях ультразвукового воздействия, оказывает ток дуги плазмотрона и амплитуда ультразвуковых колебаний пруткового материала, а также расстояние от торца плазмотрона до оси прутка. Получены эмпирические зависимости, позволяющие определить влияние этих факторов на размеры частиц.

  2. Показано, что при электроплазменном напылении с ультразвуковым воздействием на прутковый материал его свойства мало влияют на размеры частиц.

  3. Получено математическое выражение, позволяющее определять скорость подачи материала в струю плазмы и предельную скорость плазмообразующего газа для различных напыляемых материалов.

Практическая ценность:

Даны практические рекомендации по реализации разработанного процесса электроплазменного напыления с ультразвуковым воздействием на прутковый материал.

Разработаны технические предложения по созданию устройства, реализующего технологический процесс электроплазменного напыления с ультразвуковым воздействием на прутковый материал.

Технологический процесс внедрен в НПА «Плазма Поволжья» на операции электроплазменного напыления системы переходных слоев от компактного титана к высокопористому покрытию на дентальных имплантатах. Плавное изменение пористости структуры и размеров агломератов за счет формирования заданных размеров частиц ультразвуковым распылением позволило увеличить адгезию биопокрытий на 10 * 15 % и повысить ее равномерность. Из расчета выпуска 10000 изделий в год ожидаемый годовой экономический эффект составит: 516980 руб.

Технологический процесс и предложения по созданию ультразвукового устройства подачи могут быть внедрены в ОАО НИТИ-Тесар при

изготовлении устройств специального оборудования для повышения их износостойкости.

Материалы исследований в части основных зависимостей электроплазменного напыления с воздействием ультразвука на распыляемый прутковый материал и результатов экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс на кафедре «Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки» Саратовского государственного технического университета в виде одного из разделов учебного пособия «Высокоэффективные процессы обработки материалов и нанесения покрытий концентрированными потоками энергии» в 2004 г.

Апробация работы. Материалы диссертации представлялись в виде докладов на 6-й международной конференции «Современные проблемы имплантологии» (Саратов 2002г.), на конференции молодых ученых «ЗМНТК - 2003» (Ульяновск 2003г,), на всероссийских научно-технических конференциях «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, 2003 и 2004г.г.), на X Российской научно-технической конференции с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 2003 г.), на конференции с международным участием «Вакуумная наука и техника - 2004» (МИЭМ, Москва 2004г.).

Результаты работы использованы при выполнении исследований по «Областной адресной инвестиционной программе на 2004г.» и российской программе «Развитие информационных ресурсов и технологий. Индустрия образования» 2004г.

II Глава 1

Подобные работы
Мазанов Константин Владимирович
Исследование процессов ультразвукового электроплазменного напыления биоактивных титан-гидроксиапатитовых покрытий и их модельной резорбции в изотоническом растворе
Шимко Михаил Борисович
Исследование процессов теплообмена и разработка рекомендаций по его совершенствованию в одно-, четырехэлектродных дуговых сталеплавильных печах постоянного тока
Розанов Сергей Владимирович
Исследование процессов массо- и теплопереноса в различных средах под воздействием микроволнового излучения и разработка энергосберегающих микроволновых технологий и установок промышленного применения
Демидович Виктор Болеславович
Теория, исследование и разработка индукционных нагревателей для металлургической промышленности
Пронин Александр Михайлович
Исследование и разработка методов расчета индукционных систем с магнитопроводами
Зиннатуллин Дмитрий Анатольевич
Исследование и разработка трубчатого индукционного нагревателя жидкости
Крылов Алексей Николаевич
Исследование и разработка системы косвенного индукционного нагрева при производстве пенополистирольных плит
Данилушкин Василий Александрович
Разработка и исследование индукционных установок косвенного нагрева в технологических комплексах транспортировки нефти
Малышев Александр Анатольевич
Исследование и разработка индукционных нагревателей плоских тел перед прокаткой
Урбах Андрей Эрихович
Разработка и исследование электродуговых плазмотронов с длительным ресурсом работы для электротехнологий плазменного воспламенения угля, резки и сварки металлов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net