Эффективность применения защитной насадки при плазменном напылении

Установлено, что применение защитной насадки позволяет увеличить среднюю скорость напыляемых частиц на 25 %, улучшить прогрев частиц, снижает необходимую удельную энергию процесса напыления на 20 % за счет увеличения высокотемпературной зоны плазменной струи. Покрытия, полученные с насадкой, содержа...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2012
Автори: Мурашов, А.П., Грищенко, А.П., Вигилянская, Н.В., Бурлаченко, А.Н., Демьянов, И.А.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2012
Назва видання:Автоматическая сварка
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101085
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Эффективность применения защитной насадки при плазменном напылении / А.П. Мурашов, А.П. Грищенко, Н.В. Вигилянская, А.Н. Бурлаченко, И.А. Демьянов // Автоматическая сварка. — 2012. — № 2 (706). — С. 33-37. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101085
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1010852025-02-23T20:13:11Z Эффективность применения защитной насадки при плазменном напылении Efficiency of application of shielding nozzle in plasma spraying Мурашов, А.П. Грищенко, А.П. Вигилянская, Н.В. Бурлаченко, А.Н. Демьянов, И.А. Научно-технический раздел Установлено, что применение защитной насадки позволяет увеличить среднюю скорость напыляемых частиц на 25 %, улучшить прогрев частиц, снижает необходимую удельную энергию процесса напыления на 20 % за счет увеличения высокотемпературной зоны плазменной струи. Покрытия, полученные с насадкой, содержат меньше оксидов (на 10 %), содержание пор меньше в 4 раза, прочность сцепления с основой повышается на 20 %. It was established that the use of the protective nozzle provides a 25 % increase in average velocity of the spraying particles, improves heating of the particles, and decreases the required specific energy of the spraying process by 20 % due to extension of the high-temperature zone of the plasma jet. The content of oxides in the coatings deposited by using the nozzle is 10 % lower, the content of pores in them is 4 times lower, and the coating to substrate adhesion strength is 20 % higher. 2012 Article Эффективность применения защитной насадки при плазменном напылении / А.П. Мурашов, А.П. Грищенко, Н.В. Вигилянская, А.Н. Бурлаченко, И.А. Демьянов // Автоматическая сварка. — 2012. — № 2 (706). — С. 33-37. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101085 621.793.7.669-494 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Научно-технический раздел
Научно-технический раздел
spellingShingle Научно-технический раздел
Научно-технический раздел
Мурашов, А.П.
Грищенко, А.П.
Вигилянская, Н.В.
Бурлаченко, А.Н.
Демьянов, И.А.
Эффективность применения защитной насадки при плазменном напылении
Автоматическая сварка
description Установлено, что применение защитной насадки позволяет увеличить среднюю скорость напыляемых частиц на 25 %, улучшить прогрев частиц, снижает необходимую удельную энергию процесса напыления на 20 % за счет увеличения высокотемпературной зоны плазменной струи. Покрытия, полученные с насадкой, содержат меньше оксидов (на 10 %), содержание пор меньше в 4 раза, прочность сцепления с основой повышается на 20 %.
format Article
author Мурашов, А.П.
Грищенко, А.П.
Вигилянская, Н.В.
Бурлаченко, А.Н.
Демьянов, И.А.
author_facet Мурашов, А.П.
Грищенко, А.П.
Вигилянская, Н.В.
Бурлаченко, А.Н.
Демьянов, И.А.
author_sort Мурашов, А.П.
title Эффективность применения защитной насадки при плазменном напылении
title_short Эффективность применения защитной насадки при плазменном напылении
title_full Эффективность применения защитной насадки при плазменном напылении
title_fullStr Эффективность применения защитной насадки при плазменном напылении
title_full_unstemmed Эффективность применения защитной насадки при плазменном напылении
title_sort эффективность применения защитной насадки при плазменном напылении
publisher Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate 2012
topic_facet Научно-технический раздел
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101085
citation_txt Эффективность применения защитной насадки при плазменном напылении / А.П. Мурашов, А.П. Грищенко, Н.В. Вигилянская, А.Н. Бурлаченко, И.А. Демьянов // Автоматическая сварка. — 2012. — № 2 (706). — С. 33-37. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series Автоматическая сварка
work_keys_str_mv AT murašovap éffektivnostʹprimeneniâzaŝitnojnasadkipriplazmennomnapylenii
AT griŝenkoap éffektivnostʹprimeneniâzaŝitnojnasadkipriplazmennomnapylenii
AT vigilânskaânv éffektivnostʹprimeneniâzaŝitnojnasadkipriplazmennomnapylenii
AT burlačenkoan éffektivnostʹprimeneniâzaŝitnojnasadkipriplazmennomnapylenii
AT demʹânovia éffektivnostʹprimeneniâzaŝitnojnasadkipriplazmennomnapylenii
AT murašovap efficiencyofapplicationofshieldingnozzleinplasmaspraying
AT griŝenkoap efficiencyofapplicationofshieldingnozzleinplasmaspraying
AT vigilânskaânv efficiencyofapplicationofshieldingnozzleinplasmaspraying
AT burlačenkoan efficiencyofapplicationofshieldingnozzleinplasmaspraying
AT demʹânovia efficiencyofapplicationofshieldingnozzleinplasmaspraying
first_indexed 2025-11-24T23:34:39Z
last_indexed 2025-11-24T23:34:39Z
_version_ 1849716668861775872
fulltext УДК 621.793.7.669-494 ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЗАЩИТНОЙ НАСАДКИ ПРИ ПЛАЗМЕННОМ НАПЫЛЕНИИ А. П. МУРАШОВ, канд. техн. наук, А. П. ГРИЩЕНКО, Н. В. ВИГИЛЯНСКАЯ, А. Н. БУРЛАЧЕНКО, И. А. ДЕМЬЯНОВ, инженеры (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины) Установлено, что применение защитной насадки позволяет увеличить среднюю скорость напыляемых частиц на 25 %, улучшить прогрев частиц, снижает необходимую удельную энергию процесса напыления на 20 % за счет увеличения высокотемпературной зоны плазменной струи. Покрытия, полученные с насадкой, содержат меньше оксидов (на 10 %), содержание пор меньше в 4 раза, прочность сцепления с основой повышается на 20 %. К л ю ч е в ы е с л о в а : плазменное напыление, плазменная струя, насадка, свойства покрытий, коэффициент исполь- зования материала, планирование эксперимента При нанесении покрытий плазменной струей в открытой атмосфере на формирование покрытия влияет «подмешивание» газов окружающей среды в струю. Начальный участок струи, отсчитывае- мый от сопла плазмотрона диаметром d0 до гра- ницы H–H, характеризуется постоянными значе- ниями скорости u0 и температуры потока, а также равенством их начальным значениям вплоть до x0 (рис. 1) [1]. Кроме того, в отличие от обычных в плазменной струе на начальном участке интен- сивно выделяется энергия ионизации и диссоци- ации, иногда наблюдается вынос электрического тока и дополнительное выделение энергии, тур- булизация потока за счет процессов крупно- и мелкомасштабного шунтирования дуги. В связи с электромагнитным сжатием ионизированного газа в электрической дуге статическое давление на начальном участке не равно нулю, поэтому у среза сопла резко расширяется струя, зависящая от формы выходной части сопла. Начиная от среза сопла, в периферийной области струи формиру- ется зона смешения, в которой происходит ра- диальный перенос импульса и энергии, а пара- метры плазменной струи непрерывно изменяются от их начальных значений до значений в окружающей среде. Таким образом, за пределами начального участка до грани- цы П–П формируется переходный учас- ток струи и далее основной. Уменьшается температура и скорость плазменной струи в результате разбавления ее холод- ным воздухом, что ухудшает прогрев на- пыляемого материала. Уже на начальном участке активно взаимодействуют напы- ляемый материал и компоненты атмос- феры (О2, N2). Например, для стандарт- ного плазмотрона УМП-4 на расстоянии двух-трех d0 концентрация аргона в струе сос- тавляет 50 %, а в зоне, где взаимодействуют на- пыляемые частицы с поверхностью детали 70…100 мм (10d0…15d0), концентрация аргона — 20 %. Это приводит к образованию в покрытиях включений оксидов и нитридов, ухудшающих свойства покрытий (образованию пор, трещин, от- слоений) [2, 3]. Для предотвращения процессов подмешивания компонентов атмосферы в струю используют ме- тоды плазменного напыления в защитной среде нормального давления (APS), в разреженной кон- тролируемой атмосфере (VPS), под слоем жид- кости (WPS) и в контролируемой атмосфере по- вышенного давления (HPPS) [3–6], а также сис- темы с местной защитой [3, 7–10]. С помощью систем местной защиты зоны плаз- менного напыления путем применения насадок могут быть решены следующие задачи: увеличение высокотемпературной зоны плаз- менной струи (ограничением подмешивания хо- лодного газа окружающей среды) и сосредото- чение напыляемого материала в центральной час- ти, что приводит к более эффективному нагреву напыляемого материала и более рациональному использованию энергии плазменной струи; © А. П. Мурашов, А. П. Грищенко, Н. В. Вигилянская, А. Н. Бурлаченко, И. А. Демьянов, 2012 Рис. 1. Принципиальная схема плазменного напыления свободно расши- ряющейся плазменной струей 2/2012 33 снижение процесса окисления, обусловленно- го протеканием реакций напыляемого материала с активными компонентами окружающей среды (О2, N2). Целью настоящей работы являлась оценка эф- фективности применения защитной насадки при плазменном напылении на повышение качества покрытий путем совершенствования нагрева и ус- корения частиц порошка при напылении и защиты напыляемого материала от воздействия на него окружающей среды (О2, N2). Для оценки влияния защитной системы на свойства покрытий проводили эксперименты по плазменно-дуговому напылению покрытий с при- менением защитной насадки и без нее на уста- новке плазменного напыления УПУ-8М с исполь- зованием термореагирующего порошка марки ПТ-НА-01 (95 мас. % Ni — 5 мас. % Al) фракции + 40…– 60 мкм [11]. Эффективность нагрева частиц определяли пу- тем оценки их внешнего вида после затвердевания при соударении с поверхностью стеклянной плас- тинки (сплет-тест). Напыление проводили с на- садкой и без насадки при разной удельной энергии процесса ε = UIη Vп.г , где U — напряжение, В; I — сила тока, А; η — КПД плазмотрона; Vп.г — расход плазмообразующего газа, м3/ч. Значение ε изменяли путем из- менения силы тока (300, 400, 500 А). В качестве плазмообразующего газа использовали аргон, расход которо- го составлял 1,38 м3/ч, напряжение на дуге 30 В, КПД плазмотрона 53% при токе 300 А, 48 % при токе 400 А и 47 % при токе 500 А (оп- ределяли с помощью программы CASPSP [12]). В этих условиях удельная энергия напыления изме- нялась от 3,5 до 4,2 и до 5,2 кВт⋅ч/м3. Напыление проводили на стек- лянные пластинки размером 50×30×3 мм. Вид сплетов, напылен- ных без насадки (рис. 2), показал, что при силе тока 300 А частицы не расплавились и отскочили от по- верхности, при 400 А частица рас- плавлена не полностью (расплавле- на оболочка, но ядро твердое; уве- личение количества не полностью расплавленных частиц в покрытии ведет к формированию крупных пор). При силе тока 500 А частица полностью расплавлена. При напылении с насадкой частица оказалась пол- ностью расплавленной уже при силе тока 400 А. Таким образом, применение насадки позволи- ло снизить необходимую удельную энергию про- цесса напыления покрытия с использованием по- рошка Ni–5Al с 5,2 до 4,2 кВт⋅ч/м3 (на 20 %), что является результатом увеличения протяжен- ности высокотемпературной зоны плазменной струи. Измерение скорости движения напыляемых частиц в плазменной струе на расстоянии 140 мм от среза сопла c использованием прибора ИССО-1 показало, что при напылении порошком ПТ-НА- 01 с применением насадки скорость частиц сос- тавляет около 120 м/с, что на 25 % выше, чем достигаемая скорость частиц при напылении без насадки (95 м/с). Оптимизацию режимов напыления проводили методом математического планирования экспери- мента [13], а в качестве параметра оптимизации брали коэффициент использования материала (КИМ), который определяли при напылении на плоскую поверхность (250×250×1,2 мм) для каж- дого варианта напыления (с насадкой и без). Рис. 2. Сплеты частиц порошка ПТ-НА-0,1, напыленные плазменно-дуговым методом без насадки (а, в, д) и с насадкой (б, г, е), при токах 300 (а, б), 400 (в, г), 500 А (д, е) 34 2/2012 Массу напыленного покрытия и расходуемого порошка оценивали с помощью весов марки EMB 200-2 фирмы «KERN» с точностью измерения ±0,01 г. В табл. 1 приведена матрица дробного (24–1) факторного плана экспериментов по определению КИМ. В качестве изменяемых факторов выбрали значения силы тока, расхода плазмообразующего газа, состава плазмообразующего газа, дистанции напыления Н, которые наиболее существенно вли- яют на характер процесса напыления [14]. Кроме указанных изменяемых факторов напыления, в ка- честве постоянных были приняты следующие: расход порошка 32 г/мин; время напыления 15 с; расход транспортирующего газа 0,21 м3/ч. Пределы изменения факторов выбраны на ос- новании опыта напыления указанным порошком и характеристик оборудования для напыления. Граничные значения факторов указаны в табл. 2. В табл. 3 приведены значения КИМ при плаз- менно-дуговом напылении с и без насадки. По результатам эксперимента в условиях без насадки (табл. 3) составлено уравнение регрессии для зависимости КИМ от факторов напыления: КИМ (%) = 48,1 + 0,045I – 6,46Vп.г – – 2,08H + 1,8(Ar/N2). Определение режима напыления с насадкой с максимальным значением КИМ при использо- вании порошка ПТ-НА-01 проводили аналогично. В этом случае уравнение регрессии для зависи- мости КИМ от факторов напыления имеет вид КИМ (%) = 72,9 – 0,148I – 5,1Vп.г – – 0,16H + 92,5(Ar/N2). В результате анализа результатов эксперимен- та (табл. 3) установлено, что без использования насадки наибольшее значение КИМ достигается при режиме № 6, который обеспечивает макси- мальное количество расплавленных напыляемых частиц и меньшее количество перегретых частиц, наличие которых ведет к потерям на испарение и разбрызгивание расплава частиц. С использованием насадки максимальный КИМ был получен при режиме № 4, который от- личается от режима № 6 меньшей силой тока (400 А вместо 500) и составом плазмообразую- щего газа (чистый аргон вместо смеси Ar/N2), что совпадает с результатами описанного выше сплет- теста. Такое уменьшение удельной энергии про- цесса напыления для получения максимального значения КИМ в случае применения насадки объясняется увеличением высокотемпературной зоны струи и скорости частиц. Среднее значение КИМ при использовании Ar/N2 смеси с применением насадки увеличилось несущественно (с 51 до 53 %), тогда как при при- менении плазмообразующего газа аргона среднее Т а б л и ц а 1. Матрица дробного (24–1) факторного плана экспериментов № опыта I, А Vп.г, м 3/ч H, мм Ar/N2 1 + + + + 2 + + – – 3 + – + – 4 + – – + 5 – + + – 6 – + – + 7 – – + + 8 – – – – 9 0 0 0 0 Т а б л и ц а 2. Граничные значения факторов плазменно- го напыления порошком ПТ-НА-01 Уровень I, А Vп.г, м 3/ч H, мм Ar/N2 + 500 1,5 160 0,7 – 400 1,26 100 1 0 450 1,38 130 0,85 Т а б л и ц а 3. Значения КИМ при напылении без применения насадки и с насадкой порошком ПТ-НА-01 № опыта I, А Vп.г, м 3/ч H, мм Ar/N2 КИМ без применения насадки, % КИМ с применением насадки, % 1 500 1,5 100 1 48 51 2 500 1.26 160 1 43 58 3 400 1,5 160 1 34 64 4 400 1,26 100 1 56 74 5 500 1,5 160 0,7 38 28 6 500 1,26 100 0,7 72 62 7 400 1,5 100 0,7 41 61 8 400 1,26 160 0,7 52 59 9 450 1,38 130 0,85 60 70 2/2012 35 значение КИМ с применением насадки увеличи- лось с 45 до 62 % по сравнению со средним зна- чением КИМ, полученным без применения на- садки. Это связано с тем, что при напылении без насадки происходит разбавление низкоэнтальпий- ной (при плазмообразующем газе аргоне) плазмы воздухом, что приводит к резкому снижению ее температуры и уменьшению высокотемператур- ной зоны. Применение насадки и введение вы- сокоэнтальпийного плазмообразующего газа N2 позволяет получить протяженную зону высоких температур. На рис. 3 приведены микроструктуры покры- тий, напыленных порошком ПТ-НА-0,1 с приме- нением и без применения насадки, при режимах с максимальным значением КИМ. Структура пок- рытий состоит из расплавленных частиц в виде ламелей. По границам частиц, кроме пор, распо- ложены оксиды, равномерно размещенные по се- чению покрытия и имеющие более светлый цвет по сравнению с порами. Это позволило их вы- делить и оценить степень окисления материала покрытия. Анализируя приведенные структуры покры- тий, полученных при режимах с максимальным значением КИМ, можно сделать вывод о соот- ветствии выбранных режимов напыления процес- су получения покрытий из полностью расплав- ленных частиц порошка, которые при соударении с поверхностью образуют ламели. Покрытие, по- лученное напылением без использования насадки, имеет пористость 0,4 % и содержание оксидов 5 %. При применении насадки пористость покрытия составляет 0,1 %, содержание оксидов — 4,5 %. Прочность сцепления покрытий с основой на отрыв оценивали клеевым методом согласно ГОСТ-14760-69 и ASTM C 633-79 на разрывной машине P-50 (максимальная нагрузка 50 кН). Од- новременно для каждого варианта проводили на- пыление четырех образцов на режимах напыления с максимальным значением КИМ. Толщина пок- рытий составляла 0,25±0,03 мм. Прочность сцепления покрытий, напыленных без использования насадки, составила 30±3,3, а с насадкой — 36±2,8 МПа. Характер разрушения покрытий, полученных с применением и без на- садки, отличался. Если покрытия, напыленные без насадки, разрушались по границе с основой, то покрытия, напыленные с насадкой, разрушались по клею, что свидетельствует о фактически более высокой прочности сцепления покрытия с осно- вой, чем зафиксированное значение. Таким обра- зом, при напылении с насадкой прочность сцеп- ления покрытий с основой увеличивается не менее чем на 20 % (рис. 4). Заключение. Применение защитной насадки увеличивает среднюю скорость напыляемых час- тиц порошка ПТ-НА-0,1 на 25 %, улучшает прог- рев его частиц, снижает необходимую удельную энергию процесса напыления на 20 % за счет уве- личения протяженности высокотемпературной зо- ны плазменной струи. Покрытия, полученные напылением с применением насадки, содержат ок- сидов на 10 % меньше (5 и 4,5 % соответственно), пористость снижается в 4 раза (с 0,4 до 0,1 %), прочность сцепления с подложкой повышается на 20 % (с 30±3,3 до 36±2,8 МПа). 1. Донской А. В., Клубникин В. С. Электроплазменные про- цессы и установки в машиностроении. — Л.: Машиност- роение, 1979. — 221 с. Рис. 3. Микроструктуры (×200) покрытий, напыленных по- рошком ПТ-НА-01 без насадки (режим № 6, КИМ = 72 %) (а) и с насадкой (режим № 4, КИМ = 74 %) (б) Рис. 4. Прочность сцепления покрытий, полученных при напы- лении без насадки (2) и с насадкой (1) порошком ПТ-НА-01 36 2/2012 2. Физика и техника низкотемпературной плазмы / С. В. Дресвин, А. В. Донской, В. М. Гольдфарб, В. С. Клубни- кин. — М.: Атомиздат, 1972. — 352 с. 3. Получение покрытий высокотемпературным распылени- ем / Под ред. И. К. Дружинина, В. В. Кудинова. — М.: Атомиздат, 1973. — 312 с. 4. Бобров Г. В., Ильин А. А. Нанесение неорганических покрытий. — М.: Интермет Инжиниринг, 2004. — 624 с. 5. Lugscheider E. The family of plasma spray processes — pre- sent status and future prospects // Proc. First plasma-tech. symp., Lucerne, 1988. — Vol. 1. — P. 23–48. 6. Lugshheider E., Rass E., Nicoll A. R. Underwater plasma spraying // Proc. 2nd plasma-techn symp., Lucerne, Switzer- land, 5–7 June 1991. — Vol. 1. — P. 213–219. 7. Borisov Yu., Chernyshov A., Korzhyk V. Structure and para- meters of heterogeneous plasma jets shielded by water flow // Ibid. — P. 75–84. 8. Houben J. M., Zaat J. H. Shielded open air plasma spraying of reactive materials // Proc. of the 8th Intern. thermal spray conf., Miami Beach, Florida. — 1976. — P. 78–85. 9. Балдаев Л. Х., Борисов В. Н., Вахалин В. А. Газотерми- ческое напыление: Уч. пособие. — М.: Маркет ДС, 2007. — 344 с. 10. Кудинов В. В., Косолапов А. Н., Пекшев П. Ю. Насадки для создания местной защиты при плазменном напы- лении // Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук. — 1987. — С. 69–75. 11. Применение защитного насадка при газотермическом на- пылении квазикристаллических покрытий / А. П. Мура- шов, И. А. Демьянов, А. П. Грищенко // Автомат. сварка. — 2009. — № 4. — С. 55–56. 12. Компьютерное моделирование процесса плазменного напыления / Ю. С. Борисов, И. В. Кривцун, А. Ф. Мужи- ченко и др. // Там же. — 2000. — № 12. — С. 42–51. 13. Бондарь А. Г. Математическое моделирование в хими- ческой технологии. — Киев: Вища шк., 1973. — 280 с. 14. Петров С. В., Карп И. Н. Плазменное газовоздушное на- пыление. — Киев: Наук. думка, 1993. — 495 с. It was established that the use of the protective nozzle provides a 25 % increase in average velocity of the spraying particles, improves heating of the particles, and decreases the required specific energy of the spraying process by 20 % due to extension of the high-temperature zone of the plasma jet. The content of oxides in the coatings deposited by using the nozzle is 10 % lower, the content of pores in them is 4 times lower, and the coating to substrate adhesion strength is 20 % higher. Поступила в редакцию 05.09.2011 МЕТАЛЛУРГИЯ И МЕТАЛЛООБРАБОТКА. МАШИНОСТРОЕНИЕ- 2012 Международный промышленный форум 27–29 марта 2012 Ташкент Узбекистан ОАО НВК «Узэкспоцентр» Среди основных разделов выставки: • черная и цветная металлургия • порошковая металлургия • сырье и материалы • оборудование и технологии • кузнечно-прессовое, литейное и прокатное производство • оборудование, станки и инструменты для металлообработки • переработка ломов цветных и черных металлов • листо- и сортообработка: резка, профилирование, гибка, сварка • сварочные материалы, оборудование и технологии • продукция: трубы, лист с покрытием, метизы, металлоизделия, спецстали, спецсплавы и др. • контрольно-измерительная аппаратура • транспорт, логистика, ИТ-технологии, страхование, лизинг Контакты: тел./факс: +(99871) 238 57 82, моб.: +(99893) 381 07 82 E-mail: energy@ieguzexpo.com www.ieguzexpa.com 2/2012 37