Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ДЕРЖАВНА МЕТАЛУРГІЙНА
АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ
УДК: 621.7+532.529.5
Головко Олександр Миколайович
ДОСЛІДЖЕННЯ ПЛАСТИЧНОГО ДЕФОРМУВАННЯ ЧАСТОК
І РОЗРОБКА РАЦІОНАЛЬНИХ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ГАЗОДИНАМІЧНОГО НАПИЛЕННЯ МЕТАЛЕВИХ ПОРОШКІВ
Спеціальність 05.03.05 “Процеси та машини обробки тиском”
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ – 1998
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Державній металургійній академії України Міністерства освіти України
Науковий керівник:
доктор технічних наук, професор Данченко Валентин Миколайович, Державна металургійна академія України, професор кафедри обробки металів тиском
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Хаустов Георгій Йосипович, Державний науково-дослідний та конструкторсько-технологічний інститут трубної промисловості, заступник директора;
кандидат технічних наук Македонов Сергій Іванович, Нікопольський Південнотрубний завод, начальник хіміко-технологічної лабораторії.
Провідна установа:
Інститут чорної металургії Національної Академії наук України, прокатні відділи, м.Дніпропетровськ.
Захист відбудеться 08 грудня 1998 р. о 1230годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 по захисту дисертацій у Державній металур-гійній академії України (320635, м.Дніпропетровськ, пр.Гагаріна,4, т. 474366)
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державної металургійної академії України (320635, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4)
Автореферат розіланий 05 листопада 1998 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, доктор технічних
наук, професор О.М.Комаров
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Щорічні втрати металу від корозії складають близько 10%. Ефективний, але ще недостатньо використовуваний в Україні засіб підвищення терміну служби металлопроката та труб – захист їх різноманітними металевими покриттями. 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. Актуальною задачею є дослідження контактної взамодії часток з основою та визначення оптимальних параметрів процесу газодинамічного напилення.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до програми № 21 (на 1992-1995рр.) та координаційного плану № 17 (на 1997-1999рр.) Міністерства Освіти України.
Мета і задачі дослідження. Розробка раціональних параметрів технології нанесення металевих покрить способом газодинамічного напилення на базі математичного моделювання співудару часток порошку з основою і створення програми розрахунку технологічних параметрів процесу напилення.
Наукова новизна одержаних результатів. 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. Визначено залежності температури на контакті частка-основа, тривалості деформування і формозмінення часток при ударі об жорстку основу від розмірів і властивостей матеріалу часток, а також швидкості та температури часток перед ударом.
Розроблено загальну математичну модель процесу газодинамічного напилення металевих порошків, що враховує особливості силової взаємодії часток порошку з основою при ударі.
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.
Практичне значення одержаних результатів. Розроблено алгоритм і програму розрахунку параметрів процесу газодинамічного напилення металевих порошків, що дозволяють визначити раціональні технологічні параметри нанесення покрить на металеву основу. Теоретично встановлено взаємні залежності технологічних параметрів газодинамічного напилення та їхній вплив на міцність зцеплення покриття з основою.
Результати теоретичних та експериментальних досліджень дозволили визначити раціональні параметри технології процесу нанесення алюмінійових покрить на зовнішню поверхню сталевих труб.
Результати роботи використані при проектуванні НПП “Прецизіонтруб-Південь" технології і дослідного зразка обладнання для нанесення захисних покрить на зовнішню поверхню труб способом газодинамічного напилення для дільниці напилення покрить цеху 5 Нікопольського Південнотрубного заводу.
Особистий внесок здобувача. Усі результати, що складають основний зміст дисертаційної роботи, були отримані автором самостійно, зокрема, ті що складають загальні висновки та наукову новизну.
Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи доповідались та були обговорені на: Першій міжнародній конференції "Конструкційні та функціональні матеріали" (м. Львів, "Львiвська полiтехнiка", 1993г.), науково-технічній конференції "Теорія і технологія процесів пластичної деформації - 96" (м. Москва, МІСІС, 1996г.), наукової конференції “Наука і освіта” (м. Київ, АНВШ України, 1997г.); наукових семінарах кафедри обробки металів тиском Державної металургійної академії України (м. Дніпропетровськ, 1994, 1996, 1998 гг.). Комплексна наукова робота “Розвиток наукових основ та розробка технологічних процесів отримання легованих металевих порошків і нанесення захисних покрить способом газодинамічного напилення” авторів П.М.Острика, В.М.Данченка, О.М.Головка, в яку увійшли розробки, наведені в дисертаційній роботі, у 1997 р. отримала нагороду Ярослава Мудрого АНВШ України.
Публікації. Основний зміст дисертації відбитий в 10 друкованих роботах.
Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел, 5 додатків. Повний обсяг дисертації 204 стор., з них 176 стор. текста, включаючи 60 ілюстрацій та 20 таблиць, список використаних джерел з 124 найменувань і 17 стор. додатків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Спосіб “холодного” газодинамічного напилення має низку переваг, що дозволяє рекомендувати його для нанесення покрить на металопрокат, зокрема, відсутність високотемпературних струменів, що дозволяє отримувати покриття в широкому діапазоні товщин, в тому числі з легкоплавких матеріалів, достатньо висока продуктивність, простота обладнання та безпека технологічного процесу.
Літературний огляд показав, що на цей час немає математичної моделі процесу газодинамічного напилення, що враховує пластичне деформування та розігрів часток при співударі з основою. Наявні рішення по удару в твердий напівпростір тіл різноманітної форми (передусім циліндричної) мають обмежені області застосування та не позбавлені певних недоліків. Можливе отримання чисельного рішення задачі про співудар часток поршку з основою на базі методу кінцевих елементів.
Важливим питанням при чисельному рішенні задач ударного деформування є вибір реологічних властивостей металу при високих швидкостях деформації.
Визначення раціональних технологічних параметрів газодинамічного напилення металевих порошків вимагатиме рішення задачі пластичного деформування часток при ударі об основу, розробки математичної моделі процесу напилення та проведення експериментальних досліджень процесу.
МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ПЛАСТИЧНОГО ДЕФОРМУВАННЯ
ЧАСТОК ПРИ ВЗАЄМОДІЇ З ОСНОВОЮ
Математичне моделювання процесу пластичного деформування при співударі часток з основою проведене із застосуванням методу кінцевих елементів. Використаний пакет програм IMPACT, розроблений доцентом кафедри ОМТ ДМетАУ Міленіним А.А. Враховано вплив тепловиділення при пластичному деформуванні (деформаційного розігріву) та реологічних властивостей металу при високих швидкостях деформації.
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.
Задача пластичного деформування вирішується з використанням варіаційного принципу Лагранжа з наступною дискретизацією за допомогою методу кінцевих елементів.
Модифікований функціонал Лагранжа з урахуванням чинності інерційних навантажень має вигляд:
, (1)
де – змінна в’язкість, згідно з методом гідродинамічних наближень:
=Т(Н, Г,)/Н, (2)
Т – інтенсивність дотичних напружень, Н – інтенсивність швидкостей деформацій зсуву; Г – ступінь деформацій зсуву; – температура; V – об’єм, – штрафний множник; – середня швидкість деформації; Fi – (об'ємні) інерційні навантаження, vi – швидкості по відповідній координаті i; – напруження на контакті (напруження тертя), v – швидкість металу частки на контакті відносно жорсткої основи; S – площа.
При дискретизації функціонала (1) за допомогою методу кінцевих елементів використовуються трикутні сімплекс-елементи.
В функціонал (1) у відповідності з відомим методом штрафних функцій введені також штрафні додатки, які звертаються на нуль, якщо умова нестисливості виконана, і зростають зі збільшенням.
Швидкості деформації визначаються за співвідношеннями Стокса:
. (3)
Граничні умови на контакті частка-основа визначаються співвідношенням
, де 0< m<1. (4)
Фактор тертя m у цьому випадку є аналогом показника тертя f за умовою Зібеля і перевищує останній в раз.
У відповідності з прийнятим допущенням про те, що процес пластичної деформації адіабатичний, приріст температури матеріалу на кожному кроці по часу може бути визначений як
, (5)
де t – крок по часу, і с –густина і питома теплоємність відповідно.
Об'ємні (інерційні) навантаження в кожному елементі на кожному кроці по часу розраховуються за формулою
, (6)
де - номер вузла в елементі.
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 коефіціентів як функція інтенсивності швидкостей деформацій зсуву, ступеня деформацій зсуву та температури:
, (7)
де т.б – базова напруга плинності; kН, kГ, k – відповідно коефіцієнти швидкості і ступеня деформації зсуву, температури.
Результатом рішення є поле швидкостей в усіх вузлах області, яку розглядають. За відомими значеннями швидкостей на кожному часовому етапі визначаються компоненти швидкостей деформацій, інтенсивності швидкостей деформацій зсуву, ступеня деформацій зсуву, інтенсивності дотичних напружень, а також компонент тензора та девіатора напружень та температури.
Реологічні властивості металів, що використовуються при високих швидкостях деформації, задавалися за даними робіт Кемпбела, Фергюсона, Хаузера, Дорна, Полухіна зі співробітниками та ін. дослідників.
Розглянуто два варіанти моделі – удар пластичної частки у пластичну і у жорстку основу. Початкові швидкість і температура часток перед ударом варіювалися в діапазонах 100…600 м/с і 300…600 К відповідно; діаметр часток – 10…100 мкм; матеріал часток і основи – алюміній та низьковуглецева сталь.
Встановлено, що у зв'язку з впливом жорстких зон в основі, деформація її невелика і не справляє істотного впливу на деформацію часток, тому цілком припустимо у загальній моделі газодинамічного напилення використати задачу про удар частки у жорстку основу.
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”).
Характеристики напружено-деформованого стану розподілені по перерізу частки нерівномірно. Інтенсивність дотичних напружень на початкових етапах має найбільші значення в конусоподібній приконтакній зоні, де інтенсивність швидкості деформації зсуву Н максимальна, а температура металу ще не висока; на більш пізніх етапах – у тильній частині, куди вже проникла деформація, значення Н великі, а температура нижча, ніж у приконтактній області.
Аналіз вимірностей і серія розрахунків термомеханічних параметрів у діапазоні діаметрів часток, що охоплює їхні можливі розміри при газодинаміч-ному напиленні (5…200 мкм), показали, що температура та тиск на контакті прак-тично не залежать, а діаметр плями контакту і час деформування прямо пропорційні діаметру часток. Тому подальші розрахунки проводилися для часток діаметром 10 мкм.
Для захисту від корозії низьковуглецевої сталі найбільш часто використовуються покриття з алюмінію та цинку. Аналіз термомеханічних параметрів пластичного деформування часток при варіюванні початкових умов співудару (в діапазоні vс=100…600 м/с і с=300…600 К для алюмінієвих часток, і vс=100…300 м/с і с=200…400 К – для цинкових) показав наступне.
При збільшенні швидкості удару частки температура контакту зростає за законом, близьким до експоненціального з негативним показником ступеня. Причому, чим вища початкова температура удару, тим менша інтенсивність зміни к (vс). Для алюмінію та цинку при початковій гомологічній (що віднесена до температури плавлення – с/пл) температурі 0,3…0,7 приріст гомологічної температури контакту ((к-с)/пл) складає від 0,2…0,4 до 0,05…0,25, більші значення відповідають більшим початковим швидкостям.
Залежність часу деформування від швидкості частки перед ударом має мінімум (при швидкостях 200...300м/с для алюмінію, 150…200м/с–для цинку).
Зі збільшенням початкових швидкості та температури удару радіус плями контакту Rк і, відповідно, площа контакту частка-основа зростають по залежності близької до експоненціальної. При збільшенні vc і c висота частки після удару Zк зменшується; характер залежності Zк(vc,c) близький до прямої пропорційності. Відзначимо, що такий характер зміни радіусу плями контакту та кінцевої висоти частки свідчить про те, що при підвищенні vc і c зростає інтенсивність деформації у приконтактній області, змінюється форма перерізу частки.
Апроксимація результатів розрахунків за допомогою програми STATISTICA дозволила отримати наступні регресійні залежності для алюмінієвих часток (діапазони варіювання: vc=100…600 м/с, с=300…600 К):
к = - 940 + 1204exp(0,0003vс) + 79exp(0,00245c), К; (8)
tк = - 2,07 + 11402/ vc – 0,0127vc – 0,090с + 0,00021vcс, нс; (9)
Rк = 3,12 + exp(- 0,465 + 0,00334с + 0,00157vc), мкм; (10)
Zк = 8,79 + 0,000135с - 0,00285 vc - 0,000007с vc, мкм; (11)
А також для цинкових часток (vc=100…300 м/с,с=200…400 К):
к = 141,5 + 34,4exp(0,0036с) + 97,3exp(0,0030vc), К; (12)
tк = - 37,7 – 13528/vc + 0,0239vс – 0,18556с + 0,001сvc, нс; (13)
Rк = -3,28 + exp(1,675 + 0,000874с + 0,00237vc), мкм; (14)
Zк = 7,49 + 0,00141с - 0,00421vc - 0,000019сvc, мкм. (15)
Реальні матеріали мають комплекс фізичних властивостей. Проведені розрахунки при однофакторному варіюванні густини, питомої теплоємності і напруги плинності металу частки. Як базове приймаємо рішення для алюмінієвої частки діаметром 10 мкм, що має температуру 300 К і ударяється зі швидкістю 400 м/с у жорстку основу.
Аналіз результатів розрахунків показав, що при збільшенні густини або зниженні питомої теплоємності частки сильніше деформуються, час деформування tк зростає; однак, температура контакту знижується і при збільшенні с, і при збільшенні . Така поведінка пояснюється тим, що хоча зі зростанням густини збільшується кинетична енергія часток, тепло, що виділяється при пластичній деформації частки, витрачається на нагрів більшої маси металу.
Зміна базисної напруги плинності матеріалу т.б. неоднозначно впливає на характеристики, що досліджуються: функції мають явно виявлений екстремум (окрім залежності к(т.б.) – при збільшенні напруги плинності зростає робота пластичної деформації і в наслідок цього температура частки. У діапазоні відносно невеликих значень т.б. (до 200 МПа) при збільшенні напруги плинності опір деформуванню частки зростає, тому частка деформується слабіше (радіус плями контакту Rк зменшується, кінцева висота частки Zк росте), час деформування знижується. Однак при подальшому збільшенні т.б. матеріал частки розігріваєтся настільки, що це істотно полегшує можливість подальшого протікання деформації в часі – зростають величини Rк і tк, знижується Zк.
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.
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ
ГАЗОДИНАМІЧНОГО НАПИЛЕННЯ
Визначення початкових умов деформування часток (швидкості та температури часток перед ударом) може бути проведене за допомогою відомих тверджень газової динаміки одновимірних двофазних течій.
Газ і частки порошку прискорюються у надзвуковому соплі, охолоджуючись при цьому. Після виходу з сопла температуру часток можна вважати незмінною аж до співудару з основою, швидкість газу знижується на стрибку ущільнення та в ущільненому шарі газу перед напилюваною поверхнею; швидкість часток на стрибку не встигає змінитися, а в ущільненому шарі знижується на деяку величину.
Для одновимірної течії, що встановилася, відомо рівняння руху, яке зв'язує швидкості газу та часток:
(16)
де dc – діаметр часток, Cd - коефіціент опору часток, що є функцією числа Рейнольдса, g і c – густини газу та матеріалу часток, x – координата.
З рівняння (16), при використанні допущення про постійність відношення швидкості часток до швидкості газу при прискоренні у соплі, за відомим значенням довжини сопла та швидкості газу на виході з сопла може бути визначена швидкість часток; також може бути знайдена швидкість часток після гальмування в ущільненому шарі газу перед поверхнею основи. Маючи відношення швидкостей газу та часток, температуру газу у форкамері та на виході з сопла і знаючи властивості газу і питому теплоємність часток, за методом запропонованим Г.Уоллісом, може бути знайдена температура часток на виході з сопла.
Таким чином, при відомих параметрах газу у форкамері соплового апарату, геометричних розмірах сопла, співвідношенні витрат порошку і газу, а також властивостях газу і матеріалу часток можуть бути визначені початкові умови співудару часток з основою – швидкість і температура часток.
З робіт В.В.Кудінова, М.Х.Шоршорова та ін. відомий теоретичний вираз для відносного числа зв'язків, утворених в результаті протікання хімічної реакції на контакті частка-основа:
, (17)
де N – число атомів, що прореагували за час tк; N0 – число атомів на поверхні контакту; – частота власних коливань атомів (1013 с-1); Ea – енергія активації утворення хімічних зв'язків; к – середня температура контакту; k – стала Больцмана.
Ті ж автори показали, що розрахункові залежності, отримані з використанням виразу (17) знаходяться у добрій згоді з експериментальними даними, що приведені до вигляду
, (18)
де с – міцність зцеплення, в – міцність на розрив більш м'якого металу.
Відомо, що під впливом тиску на контакті величина енергії активації знижується. Причому, якщо цей тиск перевищує деяке критичне значення, енергія активації залишається величиною сталою та рівною деякому мінімальному значенню. При газодинамічному напиленні при співударі часток з основою розвивається контактний тиск порядку 1 ГПа, що перевищує критичні значення тиску на контакті. Тому ефективне значення енергії активації у більшості випадків дорівнює. Ця величина була визначена шляхом обробки експериментальних даних.
Як достатня для міцного зцеплення покриття з основою за даними В.В. Кудінова, П.Ю.Пєкшева та ін. може бути прийнята величина , що дорівнює 40…70%.
Отримані результати були використані при створенні загальної математичної моделі, алгоритму і програми розрахунку технологічних параметрів газодинамічного напилення металевих порошків.
Початковими даними є: параметри (температура і тиск) робочого газу у форкамері соплового апарату, геометричні розміри вихідного перерізу сопла і довжина його надзвукової частини, властивості робочого газу, питома витрата порошку, а також розміри і властивості матеріалу часток порошку.
Розроблена програма дозволила провести аналіз залежності початкових умов деформування часток і відносного числа зв'язків на контакті частка-основа від діаметру часток dc, температури 0 і тиску р0 газу у форкамері, довжини сопла ls та інших технологічних параметрів. Варіювання проводилося у наступних діапазонах: dc=5…100 мкм, 0 = 300…600 К, р0 = 0,5…2,5 МПа, ls = 40…200 мм.
Встановлено, що при збільшенні температури 0 і тиску р0 газу у форкамері, довжини сопла ls, або зменшенні діаметру часток dc швидкість часток vc з різноманітних матеріалів зростає. Температура часток перед ударом зростає при збільшенні 0 і dc або при зменшенні р0 і ls, характер залежностей – нелінійний.
З підвищенням температури у форкамері відносне число зв'язків зростає, оскільки підвищується температура і швидкість часток перед ударом об основу, що призводить до зростання температури контакту. Вплив діаметру та властивостей матеріалу частки на величину неоднозначний. З одного боку, алюміній має більшу питому теплоємність, ніж цинк, і зі зменшенням діаметру dc алюмінієві частки охолоджуються у соплі не так інтенсивно, як цинкові, з іншого боку, більш легкі (при тому ж dc) частки алюмінію, розганяються до більших швидкостей. Тому температура контакту алюмінієвих часток, на відміну від цинкових, при збільшенні діаметру знижується дуже незначно. До цьго ж, час деформування при збільшенні dc зростає. Тому у дослідженому діапазоні із збільшенням діаметру часток відносне число зв'язків на контакті зі сталевою основою алюмінієвих часток зростає, а цинкових – знижується.
При збільшенні діаметру часток алюмінію змінюється характер залежності відносного числа зв'язків від тиску у форкамері р0 і довжини сопла ls: для дрібних (до 20 мкм) часток алюмінію при збільшенні цих параметрів величина знижується, для великих – зростає. Це пояснюється описаними вище особливостя-ми руху у газовому потоці і деформування при ударі об основу, а також тим, що легкі частки сильніше гальмуються в ущільненому шарі газу перед основою. Цинкові частки, у порівнянні з алюмінієвими, мають майже в три рази більшу масу при тому ж діаметрі. Тому при збільшенні р0 і ls величина для цинкових часток стабільно підвищується у діапазоні діаметрів часток, характерних для газодинамічного напилення.
У зв'язку з тим, що в реальному порошку усі частки відрізняються за розмірами, модель не дозволяє знайти коефіціент використання порошку і наскрізну пористість покриття. З метою визначення впливу технологічних параметрів процесу напилення на властивості покрить і продуктивність процесу, а також для підтвердження результатів теоретичних досліджень проведені експериментальні дослідження процесу газодинамічного напилення.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ НАНЕСЕННЯ ПОКРИТЬ
СПОСОБОМ ГАЗОДИНАМІЧНОГО НАПИЛЕННЯ
Експериментальні дослідження проводилися на дослідно-промисловому устаткуванні в умовах цеху 5 ПТЗ, у склад якого входив компресор, осушувач повітря, нагрівач повітря, дозатор порошку, сопловий апарат, камера напилення та пристрій для переміщення зразків. Наносили алюмінієві покриття з порошку АСД-1 на основу з маловуглецевої сталі; форма зразків – пластини або патрубки.
Напилення проводилося при наступних базисних значеннях параметрів: температура газу у форкамері 0 = 300С, тиск р0 = 1,8 МПа, дистанція напилення ld = 10 мм, швидкість переміщення основи vп=100 мм/с, витрата порошку Q = 0,8 г/с, порошок – АСД-1, засіб підготовки поверхні – голкофрезерування.
Встановлено, що при збільшенні температури у форкамері в діапазоні, що досліджується (100…320С) міцність зцеплення збільшується майже у 4 рази (з 7,2 до 28,1 МПа); характер залежності близький до експоненціального. Існує якісна та кількісна (різниця не більш 12%) схожість залежності відносної міцності зцеплення і розрахункової залежності відносного числа зв'язків від температури повітря у форкамері. При збільшенні температури повітря продуктивність і коефіціент напилення зростають до 0,66 та вище, однак, при температурах більше 250С інтенсивність зростання знижується.
При збільшенні температури повітря у форкамері або товщини покриття величина наскрізної пористості знижується і при деяких критичних значеннях цих параметрів (наприклад 280С і 120мкм) наближається до нуля.
При збільшенні тиску у форкамері від 1,4 до 2,0 МПА зростають міцність зцеплення (на 17%), продуктивність і коефіціент напилення (на 40%); характер залежності близький до прямої пропорційності.
Зменшення дистанції напилення (від 30 до 5 мм) призводить до підвищення міцності зцеплення (на 13%) і коефіціента напилення (на 23%).
Застосування сопел з більшою довжиною надзвуковий частини дозволяє збільшити міцність зцеплення і продуктивність процесу напилення (в діапазоні значень довжини сопла 80…120мм – на 9% і 26% відповідно). Спостерігається якісна і кількісна схожість між розрахунковою залежністю відносного числа зв'язків на контакті і експериментальною залежністю відносної міцності зцеплення від довжини сопла.
Міцність зцеплення покриття з основою практично не залежить від товщини покриття у діапазоні товщин 0,1…0,8 мм.
При збільшенні витрати порошку Q (від 0,8 до 3,2 г/с) збільшується продук-тивність процесу (в 3 рази), однак, коефіціент напилення знижується (на 25%).
Випробування на корозійну стійкість свідчать про високу стійкість алюмінієвих покрить, отриманих способом газодинамічного напилення, в умовах підвищеної вологості у порівнянні з іншими видами покрить і про високу стійкість покрить товщиною 100…120 мкм (що напилені при 0 = 300С, р0 = 1,8 МПа, vп = 200 мм/с, Q = 0,8 г/с).
Експерименти з холодної прокатки сталевих штаб розміром 0,920150 мм з алюмінієвими покриттями товщиною 0,06…0,27мм (відношення товщин шарів покриття і основи 0,07…0,3) і шириною 10мм на стані Дуо-175 лабораторії кафедри ОМТ ДМетАУ показали добру прокатуваність таких штаб без руйнування покриття. У досліджуваному діапазоні відносний обтиск покриття у 2–6 разів більше відносного обтиску основи (більші значення означеного відношення відповідають меншим величинам обтиску штаби з покриттям). При збільшенні обтиску зростає міцність зцеплення покриття з основою, наскрізна пористість значно знижується.
ПРАКТИЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕНЬ
Теоретичні та експериментальні дослідження процесу газодинамічного напилення дозволили визначити раціональні технологічні параметри нанесення покрить з алюмініевого порошку.
При нанесенні алюмінієвих покрить на низьковуглецеву сталь оптимальна температура повітря у форкамері соплового апарату 300…320С. Здійснювати підігрів вище 350С недоцільно, оскільки при більших температурах інтенсивність зростання коефіціента використання порошку значно знижується, підвищуються енерговитрати та імовірність налипання порошку на стінки сопла.
Теоретичні та експериментальні дослідження по напиленню алюмінієвого порошку при тиску у форкамері вище 2 МПа показали, що міцність зцеплення і коефіціент використання порошку при збільшенні тиску змінюються незначно.
У промислових умовах доцільно використовувати стандартний компресор 2ВУ/1,5-2,5/26М1, що забезпечує тиск стислого повітря до 2,5 МПа і необхідну витрату газу (до 0,04 кг/с).
Мінімальна рекомендована товщина покриття – 120 мкм. При витраті порошку 3,2 г/с продуктивність процесу напилення 0,0055 м2/с (близько 20 м2/год.), що при нанесенні покриття на труби діаметром 80 мм відповідає виробництву 80 м труб з покриттям за годину. Витрата алюмінієвого порошку – 0,6 кг/м2. Ненапилений порошок уловлюєтся і використовується повторно. Споживання електроенергії – 2 кВт/м2.
Проведені дослідження використані при розробці НПП “Прецизіонтруб-Південь” устаткування дільниці газодинамічного напилення у цеху 5 ПТЗ (м. Нікополь), призначеного для нанесення покрить на зовнішню поверхню труб діаметром 20…80 мм.
Устаткування поділяється на пневматичне та транспортуюче. В склад транспортуючого устаткування входять дискові та роликові рольганги, що забезпечують гвинтове переміщення труби із заданою швидкістю і дозволяють регулювати крок подачі труби, похилі столи, перекладувачі пневматичні та ін.
До основного пневмоустаткування відносяться: компресор (характеристики згадані вище); ресивер; вологовідділювач вугільний; осушувач повітря; дозатор порошку дискового типу з приводом; нагрівач повітря електричний; камера напилення; пристрій відсмоктування повітря.
ОСНОВНІ ВИСНОВКИ
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 зв'язків 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”.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
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.
АНОТАЦІЯ
Головко О.М. Дослідження пластичного деформування часток і розробка раціональних технологічних параметрів газодинамічного напилення металевих порошків. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 – процеси та машини обробки тиском. Державна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 1998.
Проведено математичне моделювання процесу пластичного деформування часток при ударі об основу в умовах газодинамічного напилення з урахуванням впливу деформаційного розігріву та реологічних властивостей металу при високих швидкостях деформації. Визначені залежності температури на контакті частка-основа, часу деформування та формозмінення часток при ударі від розмірів і властивостей матеріалу часток, початкової швидкості та температури часток. Разроблено загальну математичну модель, алгоритм і програму розрахунку технологічних параметрів процесу газодинамічного напилення. Отримані експериментальні дані про вплив режимів нанесення покриття на міцність зцеплення, пористість покрить і продуктивність процесу. Результати досліджень використані при проектуванні технології та дослідного зразка устаткування для нанесення захисних покрить на зовнішню поверхню труб.
Ключові слова: частка, основа, удар, пластична деформація, температура, газодинамічне напилення, покриття.
АННОТАЦИЯ
Головко А.Н. Исследование пластического деформирования частиц и разработка рациональных технологических параметров газодинамического напыления металлических порошков. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 – процессы и машины обработки давлением. Государственная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 1998.
Проведено математическое моделирование процесса пластического деформирования частиц при ударе об основу в условиях газодинамического напыления с учетом влияния деформационного разогрева и реологических свойств металла при высоких скоростях деформации. Определены зависимости температуры на контакте частица-основа, времени деформирования и формоизменения частиц при ударе от размеров и свойств материала частиц, начальной скорости и температуры частиц. Разработана общая математическая модель, алгоритм и программа расчета технологических параметров процесса газодинамического напыления. Получены экспериментальные данные о влиянии режимов нанесения покрытия на прочность сцепления, пористость покрытий и производительность процесса. Результаты исследований использованы при проектировании технологии и опытного образца оборудования для нанесения защитных покрытий на наружную поверхность труб.
Ключевые слова: частица, основа, удар, пластическая деформация, температура, газодинамическое напыление, покрытие.
ABSTRACT
Golovko A.N. Investigations of Particles Plastic Deformation and Development of Rational Technological Parameters of Metal Powders Gas Dynamic Spraying .–Manuscript.
Thesis for an Engineering Science Candidate's Degree by Speciality 05.03.05 - Processes and Machines for Plastic Working. State Metallurgical Academy of Ukraine, Dniepropetrovsk, 1998.
The mathematical modelling of plastic deformation process at impact of particles to a basis in conditions of gas dynamic spraying with regard for influence of deformation heating and mechanic properties of metal at high strain rates is carried out. The dependencies of temperature on contact a particle-basis, deformation time and impact forming of particles are determined against the sizes and properties of a material of particles, initial velocity and temperature of particles. The general mathematical model, algorithm and program for calculation of gas dynamic spraying process technological parameters are developed. The experimental data about influence of coating modes on adhesion strength, porosity of coatings and productivity of process are received. Research results are used when designing technology and pilot sample of the equipment for coating an outside surface of tubes.
Key words: particle, basis, impact, plastic deformation, temperature, gas dynamic spraying, coating.