Оптимизация по критериям прочности плазменного напыления эрозионно стойких покрытий
Установлено, что механические характеристики покрытий зависят от технологических
 режимов их нанесения. Предложена методика оптимизации и управления технологическим
 процессом по критериям прочности и материалоемкости на примере плазменного напыления
 эрозионно стойких покрыт...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы прочности |
|---|---|
| Дата: | 2008 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2008
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48359 |
| 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: | Оптимизация по критериям прочности плазменного напыления
 эрозионно стойких покрытий / Е.К. Соловых, Б.А. Ляшенко, Ю.В. Дмитриев, Ю.С. Борисов // Проблемы прочности. — 2008. — № 6. — С. 136-151. — Бібліогр.: 37 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860072274936201216 |
|---|---|
| author | Соловых, Е.К. Ляшенко, Б.А. Дмитриев, Ю.В. Борисов, Ю.С. |
| author_facet | Соловых, Е.К. Ляшенко, Б.А. Дмитриев, Ю.В. Борисов, Ю.С. |
| citation_txt | Оптимизация по критериям прочности плазменного напыления
 эрозионно стойких покрытий / Е.К. Соловых, Б.А. Ляшенко, Ю.В. Дмитриев, Ю.С. Борисов // Проблемы прочности. — 2008. — № 6. — С. 136-151. — Бібліогр.: 37 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Установлено, что механические характеристики покрытий зависят от технологических
режимов их нанесения. Предложена методика оптимизации и управления технологическим
процессом по критериям прочности и материалоемкости на примере плазменного напыления
эрозионно стойких покрытий. Эрозионная стойкость наиболее устойчиво коррелирует
с когезионной прочностью покрытий. Из уравнений регрессии определены максимальные
значения когезионной прочности покрытий и эрозионной стойкости при оптимальном
сочетании технологических параметров.
Установлено, що механічні характеристики покриттів залежать від технологічних
режимів їх нанесення. Запропоновано методику оптимізації й управління
технологічним процесом за критеріями міцності і матеріалоємності на
прикладі плазмового напилення ерозійно стійких покриттів. Ерозійна стійкість
найбільш стабільно корелює з когезійною міцністю покриття. Із рівняння
регресії визначено максимальні значення когезійної міцності покриття й ерозійної
стійкості за оптимального співвідношення технологічних параметрів.
We have established that mechanical characteristics
of coatings depend on the technological
regimes of their application. We propose a procedure
of optimization and control of technological
process by the strength and material
consumption criteria, based on an example of
plasma spraying of erosion-resistant coatings.
Erosion resistance most stably correlates with
the cohesive strength of coatings. The maximum
values of the cohesive strength of coatings
and erosion resistance are determined
from the equations of regression for the optimum
combination of the technological parameters.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:11:32Z |
| format | Article |
| fulltext |
П Р О И З В О Д С Т В Е Н Н Ы Й
Р А З Д Е Л
УДК 539.4+621.793.1
Оптимизация по критериям прочности плазменного напыления
эрозионно стойких покрытий
Е. К. Соловыха, Б. А. Л яш енко6, Ю . В. Д митриев8, Ю . С. Борисовг
а Кировоградский национальный технический университет, Кировоград, Украина
6 Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина
в ООО НТП “АгроСофт”, Киев, Украина
г Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев, Украина
Установлено, что механические характеристики покрытий зависят от технологических
режимов их нанесения. Предложена методика оптимизации и управления технологическим
процессом по критериям прочности и материалоемкости на примере плазменного напы
ления эрозионно стойких покрытий. Эрозионная стойкость наиболее устойчиво корре
лирует с когезионной прочностью покрытий. Из уравнений регрессии определены макси
мальные значения когезионной прочности покрытий и эрозионной стойкости при опти
мальном сочетании технологических параметров.
К л ю ч е в ы е с л о в а : покрытия, прочность, газотермическое напыление, эрози
онная стойкость, оптимизация.
Введение. Разработка любого технологического процесса (ТП) неизбеж
но связана с решением оптимизационных задач. В области создания упроч
няющих защитных покрытий (УЗП) вопросы оптимизации занимают ключе
вое место. Это обусловлено тем, что многочисленные способы нанесения
покрытий в сочетании с обширной номенклатурой материалов, из которых
их формируют, и большое количество влияющих факторов предоставляют
технологам ряд альтернативных вариантов. В таком случае эффективность
принимаемых решений будет зависеть от наличия критериев прочности для
управления технологическим процессом.
Состояние проблемы. Ввиду высокой чувствительности механических
характеристик покрытий и основы к режимам их нанесения предъявляется
особое требование к оптимизации и ведению технологического процесса по
критериям прочности. Относительно влияния технологических режимов на
служебные свойства УЗП имеются противоречивые данные [1]. Поэтому
предпринимались попытки систематизировать технологические параметры в
виде карт источников влияния на свойства покрытий [2] и иерархических
схем параметров [3]. Поискам оптимума и установлению связей между
© Е. К. С О Л О ВЫ Х , Б. А. Л Я Ш ЕН К О , Ю. В. Д М И Т РИ ЕВ , Ю. С. БО РИ С О В , 2008
136 Й'ОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 6
Оптимизация по критериям прочности
технологическими режимами и свойствами посвящены работы [4-8], в том
числе по стойкости газотермического покрытия в условиях газоабразивного
изнашивания [9].
В связи с применением средств вычислительной техники в системах
автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР
ТП) и автоматизированных систем управления технологическим процессом
(АСУ ТП) образовались своеобразные “ножницы” между возможностями
компьютера и его использованием. Актуальной становится разработка мате
матических моделей и программного обеспечения. Моделирование основано
на методах теории планирования эксперимента с использованием средств
вычислительной техники. Однако разрабатываемые математические модели
для САПР ТП и АСУ ТП не охватывают многих явлений, определяющих
эксплуатационные свойства УЗП. Они, как правило, рассматривают отдель
ные характеристики покрытий, оптимизацию отдельных свойств. Разраба
тываемые для газотермического напыления модели имеют также ограни
ченный характер [10, 11].
В теории, технологии и практике УЗП сложилось и успешно разви
вается новое направление - оптимизация технологических процессов по
критериям прочности [12]. Применение многопараметрической оптимиза
ции методом факторного планирования эксперимента позволяет определить
технологические параметры, обеспечивающие максимально возможную
прочность и долговечность детали с покрытием.
Особенность нового направления заключается в проведении исследова
ния по единой матрице планирования эксперимента с учетом технологи
ческих факторов, комплекса механических и эксплуатационных характе
ристик. Таким образом, сосредоточены “в одних руках” технология УЗП и
комплекс испытаний.
Оптимизация технологических процессов по комплексному критерию
сопротивления усталости, износу и коррозионной стойкости проводилась
для газотермических покрытий [13, 14]. Технология детонационного напыле
ния оптимизирована по критерию адгезионно-когезионной равнопрочности
и критической деформации основы [15-17], по комплексу механических и
эксплуатационных свойств [18, 19]. Электронно-лучевая технология тепло
защитных покрытий оптимизирована по критериям изотермической и термо
циклической ползучести [17, 20]. Для условий работы деталей при трении
качения с проскальзыванием построены множественные регрессионные мо
дели, характеризующие зависимость параметров оптимизации от входных
технологических и эксплуатационных факторов [21]. По критериям проч
ности оптимизированы технология ионного азотирования [22] и вакуум-
плазменная технология [1, 23 - 25], по критериям прочности, напряженно-
деформированному состоянию и износостойкости - параметры электрохими
ческой технологии [26], электроискрового легирования [27] и поверхност
ного пластического деформирования [28].
Согласно технологическим условиям достижение максимальной проч
ности и долговечности должно сопровождаться снижением энергетических
и других материальных затрат. Поэтому при многокритериальной оптими
зации кроме критериев прочности используют экономические критерии.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 6 137
Е. К. Соловых, Б. А. Ляшенко, Ю. В. Дмитриев, Ю. С. Борисов
Детонационное напыление наряду с критериями прочности оптимизировано
также по себестоимости [16].
Существенное повышение прочности и всех эксплуатационных харак
теристик при оптимизации ТП УЗП по критериям прочности свидетель
ствует об эффективности этого подхода. Поэтому, на наш взгляд, сложилась
следующая ситуация в теории и практике использования УЗП:
подавляющее большинство технологических процессов выбрано именно
эмпирически-интуитивно; принятые при этом технологические параметры
не всегда обеспечивают максимальную и возможно достижимую прочность
и долговечность детали с покрытием;
принятые технологические параметры не обеспечивают энергосбере
жение, экономию материалов и условия максимальной производительности;
установленные эмпирически-интуитивно технологические параметры
следует принять за нулевую точку планирования эксперимента для после
дующего регрессионного анализа.
Цель работы заключается в создании для газотермического напыления
антикавитационных покрытий методики оптимизации технологических про
цессов по критериям прочности, обеспечивающей достижение максимально
возможной прочности и долговечности детали с покрытием при минималь
ных затратах на процесс его нанесения. Научная часть работы состоит в
разработке математических моделей, базирующихся на критериях прочнос
ти, которые используются как основа для программного обеспечения САПР
ТП газотермического напыления (ГТН) и АСУ ТП ГТН.
М етодика исследования. В работе [29] предложена технология нане
сения плазменного антикавитационного покрытия на внешнюю охлажда
емую поверхность гильзы двигателя СМД-18Н толщиной 0,4 мм из стали
12Х18Н10Т. Использование указанного материала авторы объясняют требо
ваниями коррозионной стойкости. Поскольку обоснование выбранных техно
логических режимов и толщины напыляемого покрытия для серийного
промышленного производства отсутствует, нет оснований утверждать, что
эксплуатируемая технология оптимальна. Поэтому она была принята базо
вой для дальнейшей оптимизации по параметрам прочности и материало
емкости.
В работе [19] при планировании эксперимента по оптимизации детона
ционных покрытий в качестве входных параметров приняты технологи
ческие и эксплуатационные, в качестве критериев оптимизации - микро
твердость, адгезионная прочность и интенсивность изнашивания. Большое
количество используемых факторов (восемь) и функций отклика (три) уве
личивают объем экспериментов и не позволяют выяснить роль конкретных
механических характеристик покрытия. Поэтому в настоящей работе принят
следующий подход:
в результате предварительных экспериментов определяется зависимость
эрозионной стойкости от механических характеристик покрытия;
в качестве критерия оптимизации используется характеристика, от кото
рой зависит эрозионная стойкость.
Накопленный опыт при исследовании эрозионной стойкости компакт
ных материалов свидетельствует, что, несмотря на некоторые необъяснимые
138 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 6
Оптимизация по критериям прочности
отклонения, общая тенденция такова: сопротивление материалов эрозион
ному разрушению возрастает пропорционально таким механическим харак
теристикам, как твердость, прочность при растяжении, предел текучести,
удлинение при разрыве, энергия деформации при разрушении [30, 31]. В
связи с этим основное внимание будет уделено указанным механическим
свойствам и адгезионной прочности - характеристике, аналога которой у
компактных материалов нет.
С учетом приоритетного значения данных механических характеристик
предложенный подход к настоящему исследованию реализовывался следу
ющим образом. При неизменных режимах нанесения покрытия его форми
ровали на образцах, предназначенных для измерения механических характе
ристик и определения кавитационной стойкости. Механические характерис
тики измеряли по методике, основанной на растяжении стандартного образ
ца с нанесенным покрытием на половину рабочего участка [32-34]. Модуль
упругости покрытия определяли по разности деформаций участка образца с
покрытием и без покрытия, адгезионную и когезионную прочность - по
деформации основы при отслоении или растрескивании покрытия.
Критерием кавитационной стойкости служила скорость эрозии на уста
новившемся участке, которую определяли на стандартной магнитострикци-
онной ультразвуковой установке при частоте 18...20 кГц. Диаметр цилинд
рического образца d с торцевой рабочей поверхностью составлял 25 мм.
Таким образом, проведение предварительных экспериментов обуслов
лено необходимостью выбора механического свойства покрытия в качестве
критерия оптимизации.
Зависимости скорости эрозии ¥ эр от различных механических свойств
приведены на рис. 1. Видно, что наиболее устойчивая корреляция наблю
дается между скоростью эрозии и когезионной прочностью покрытий. Дру
гие механические свойства использовать в качестве параметра, характе
ризующего эрозионную стойкость покрытий, некорректно, поскольку зави
симость между ними не так ярко выражена. Следует отметить, что твердость
покрытий вообще не коррелирует со скоростью эрозии, в то время как для
тех же компактных материалов, получаемых по традиционной технологии,
твердость признана наиболее приемлемым параметром.
Для изучения влияния адгезионной прочности на кавитационную стой
кость материалов с покрытиями использовали три партии образцов. Мате
риалы, составившие композицию, а также режимы нанесения покрытий
приведены в табл. 1.
Условия нанесения покрытий на образцы, которые относятся к одной
партии, отличались только качеством подготовки поверхности. В результате
удалось при прочих равных условиях (в рамках одной партии) изменять
адгезионную прочность в широких пределах. Механические характеристики
покрытий представлены в табл. 2. Там же введена такая существенная
характеристика системы основа-покрытие, как критическая деформация £ кр
при разрушении покрытия.
Зависимости скорости эрозии ¥ эр рассматриваемых покрытий от адге
зионной прочности приведены на рис. 2. Полученные результаты показы
*
вают, что существует некоторое значение адгезионной прочности г сц, кото-
0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 6 139
Е. К. Соловых, Б. А. Ляшенко, Ю. В. Дмитриев, Ю. С. Борисов
*
рое разбивает диапазон существования г на два: 0 < г < г в этом случае с
ростом адгезионной прочности скорость эрозии интенсивно снижается;
*
г сц < г < г тах, скорость эрозии практически не зависит от значения г.
Такая закономерность объясняется изменением характера разрушения по
крытия с адгезионно-когезионного на когезионное при превышении проч
*
ностью сцепления значения г сц.
Vг эр •
45
3 5
2 5
1 5
ЮС ■ 2С '40 160 НВ
Vг эр;
50 -
40 ■
30 -
2 0 -
10 -
о -
5С 75 1 00 '25 Ок, МШ
б
К,р, мг/ч
4 5
4 0
3 5
3 0
2 5
20
1 5
■00 120 141} 160 £, %
в
140 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2008, N2 6
мг/ч
Оптимизация по критериям прочности
Гэр, мг/ч
г
Гэр, мг/ч
д
Уэр, мг/ч
• • •
<>
« —
• *
1.5 2 2 . 5 А, МПа
е
Рис. 1. Зависимость скорости эрозии Уэр от твердости покрытия НВ (а), его когезионной
прочности а к (б), критической деформации основы е (в), предела текучести а (г), модуля
Юнга Е (д) и удельной работы деформации А (е).
*Значение г сц соответствует оптимальному соотношению адгезионной
и когезионной прочности покрытия, которое устанавливает критерий адге
зионно-когезионной равнопрочности [35]. По этому критерию определяется
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, N 6 141
Е. К. Соловых, Б. А. Ляшенко, Ю. В. Дмитриев, Ю. С. Борисов
условие одновременного когезионного растрескивания и адгезионного от
слоения. Таким образом полностью используются эти две характеристики в
композиции основа-покрытие. Расчетные значения по критерию адгезионно
когезионной равнопрочности [35] (линии) и экспериментальные данные
*
(точки) для г сц приведены на рис. 3.
Т а б л и ц а 1
Режимы нанесения покрытии
Материал
основы
(сталь)
Материал
покрытия
N,
кВт
ь,
мм
к,
г/мин
О пл,
л/мин
V,
мм/с
Коли
чество
проходов
20 АІ2О3 24 85 30 40 40 3
45 12Х18Н10Т 19 115 35 40 45 2-4
30 ПН65Ю15 21 140 45 30 30 2
Примечание. Здесь и в табл. 3: N - мощность плазмотрона; Ь - дистанция напыления; К -
расход напыляемого материала; О пл - расход плазмообразующего газа; V - скорость пере
мещения плазмотрона.
Т а б л и ц а 2
Механические характеристики покрытии
Толщина покрытия
к, мм
Когезионная
прочность
а к, МПа
Модуль Юнга
Еп, ГПа
Деформация
разрушения
£кр, %
0,28 125 54 0,31
0,2...0,5 192 89 0,35
0,35 163 69 0,41
Гэр, мг/ч
80
60
40
20
Т Г ’ " 3 * I 1 2
------------------------1-------1------------1- ^ -------------------1---------------------- 1---------------------- 1----------------------1------------
20 40 60 80 Ю0 120 тСЦ: МПа
Рис. 2. Зависимость скорости эрозии Уэр от прочности сцепления при сдвиге гсц.
142 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2008, N2 6
Оптимизация по критериям прочности
О к, МПа
*
2 0 2 5 3 0 35 тсц, МПа
Рис. 3. Оптимальное соотношение адгезионной и когезионной прочности.
Для рассматриваемых условий кавитационного воздействия оптималь
ное соотношение адгезионной и когезионной прочности имеет вид
^ сц 0,32 О к.
Проведенные исследования позволяют сделать предварительные выводы:
величина адгезионной прочности должна быть такой, чтобы обеспечить
только когезионное разрушение покрытия в процессе эксплуатации;
с повышением когезионной прочности кавитационная стойкость плаз
менных покрытий возрастает.
Поэтому в качестве критерия оптимизации газотермического напыления
принята когезионная прочность покрытия Ок. Однако, учитывая условия
снижения материалоемкости технологического процесса, в качестве критерия
оптимизации также принят коэффициент использования материала (КИМ).
На свойства газотермических покрытий влияют от 60 до 200 парамет
ров процесса [36]. Для практического решения оптимизационной задачи
необходимо выбрать те, которые оказывают доминирующее влияние на
критерии оптимизации и допускают управление ими со стороны оператора.
Проведенный анализ позволяет выделить группу параметров для моде
лирования процесса газотермического напыления, которые наиболее влияют
на величину когезионной прочности и КИМ. Для более точного определения
КИМ в число варьируемых параметров не был включен расход напыляемого
материала. Введение еще одного параметра увеличило бы объем экспери
ментов. В результате в матрицу планирования в качестве варьируемых
параметров включены: мощность плазмотрона N ; дистанция напыления Ь ;
расход плазмообразующего газа О пл; расход охлаждающего газа О охл. По
следний параметр введен авторами на основании полученных данных по его
влиянию на когезионную прочность.
Нанесение покрытий на образцы для исследования как механических
характеристик, так и скорости эрозии осуществляли при следующих значе
ниях кинематических параметров: ® = 100 об/мин; 5 = 2 мм/об; п = 2-3.
Изменение количества проходов обусловлено стремлением сохранить неиз
менной толщину покрытий (0,25...0,35) при изменяющемся КИМ.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 6 143
Е. К. Соловых, Б. А. Ляшенко, Ю. В. Дмитриев, Ю. С. Борисов
Номинальные уровни варьируемых параметров установлены в соответ
ствии с промышленной технологией напыления плазменных антикавитаци-
онных покрытий, принятой на эмпирически-интуитивной основе [29] для
серийного производства. Таким образом, нулевая точка плана эксперимента
соответствует тому промышленному техпроцессу, который полагали опти
мальным. Значения уровней и интервалов варьирования выбранных пара
метров приведены в табл. 3.
Т а б л и ц а 3
Значения уровней и интервалов варьирования параметров
Факторы Уровень N ,
кВт
и
мм
О пл,
л/мин
оОохл ’
л/мин
Код - *1 X 2 X 3 X4
Основной уровень 0 19 115 40 15
Интервал варьирования ДХ; 5 50 10 10
Верхний уровень + 1 24 165 50 25
Нижний уровень — 1 14 65 30 5
Примечание. Принятые критерии оптимизации обозначены кодами: Уг - когезионная проч
ность а к, МПа; - коэффициент использования материала, %; Gохл - расход охлаж
дающего газа.
Результаты исследований. На первом этапе исследования поставлен
полный факторный эксперимент ти п а24. Однако исследуемые зависимости
нельзя с достаточной точностью аппроксимировать полиномами первой
степени. Поэтому выбран четырехфакторный симметричный некомпозици
онный план второго порядка [37], который представляет собой комбинацию
двухуровневых (— 1, +1) полных факторных экспериментов с неполноблоч
ным сбалансированным планом. Отметим, что данный план имеет нулевое
значение фактора несферичности, т.е. является рототабельным, что позво
ляет с одинаковой точностью предсказывать значение функции отклика в
любом направлении. Кроме того, план имеет сравнительно малое количест
во опытов: 27.
Расчет коэффициентов уравнений регрессии и проверку адекватности
построенных моделей проводили по известным методикам [37]. После мате
матической обработки матрицы планирования при 5%-ном уровне значи
мости коэффициентов полиномов получены уравнения регрессии:
71 = 188,3 + 43,71Х1 — 16,58X 2 + 18,45Х4 + 26,25Х 1X 4 + 18,72Х 1 +
+ 48,14 X 2 + 10,62X 32 + 37,88Х 2; (1)
У2 = 71,7 + 12,83X 1 — 6,73X 2 — 7 , 7 ^ 3 — 8,33X1X 2 + 2,74X 1X 3 +
+ 10,06X 1X 4 — 4,14X2 — 6,89 X 2 + 5,28X32 — 9,75X | . (2)
144 ISSN 0556-17IX. Проблемы прочности, 2008, № 6
Оптимизация по критериям прочности
Относительную степень влияния факторов на выходные параметры
процесса можно представить в виде диаграмм для Уг (рис. 4) и У2 (рис. 5).
Когезионная прочность в значительной степени определяется фактора
ми, определяющими температуру частицы в момент контакта ее с подлож
кой, а именно: мощностью плазмотрона и дистанцией напыления.
ь,
Х 1 Х3 X,, ХгХ2 а д . а д X 2 х22 х3 х42
Рис. 5. Относительная степень влияния входных факторов на КИМ.
Полученные уравнения регрессии обычно имеют канонический (стан
дартный) вид.
После канонических преобразований уравнение для Уг запишем следу
ющим образом:
Ух - 236,2= 18,95X 2 + 17,09X 2 + 9,44Х 32 + 14,37X 2, (3)
для параметра КИМ -
У 2 - 9 2 , 8 5 = — 9 , 2 1 Х 2 - 3 , 9 9 X 2 - 8 , 5 7 X 32 - 3 , 4 1 Х 2 . ( 4 )
ISSN 055 6 -1 7 ^ . Проблемы прочности, 2008, № 6 145
Е. К. Соловых, Б. А. Ляшенко, Ю. В. Дмитриев, Ю. С. Борисов
Рассчитанные значения критериев оптимизации о к и КИМ в центре
поверхности функции отклика У ^ таковы:
о к1̂ = 236,2 МПа (максимальное значение),
К И М ^ = 69,98%;
в центре поверхности функции отклика У2$ :
о к2$ = 164,7 МПа,
КИМ 2$ = 92,15% (максимальное значение).
При выборе режимов напыления принимали компромиссное решение:
получение оптимально высокой когезионной прочности при обеспечении по
возможности более высокого коэффициента использования напыляемого
материала. Рассмотрим уравнения (1), (2) и рис. 4, 5. Несущественное
влияние расхода плазмообразующего газа (X 3) на о к позволяет увеличить
КИМ без значительного отклонения от координаты центра X 3 $ = 0 в сто
рону меньших расходов. Дистанцию напыления X 2 целесообразно оста
вить на прежнем уровне.
Зафиксировав факторы X 2 и X 3 на выбранных уровнях, получим
уравнения регрессии, описывающие изменения о к и КИМ в зависимости
от двух более значимых факторов (X 1 и X 4 ):
У1 = 212,5 + 43,71Х1 + 18,45X 4 - 26,25Х 1X 4 - 18,72Х2 + 3 7 ,8 8 Х |; (5)
У2 = 83,13 + 12,83Х 1 + 2,71Х4 + 10,06Х 1X 4 - 4,14X2 - 9 , 7 5 Х (6)
Анализ уравнений (5) и (6 ) проводили с помощью графического метода
[37]. Для этого по предварительно рассчитанным значениям строили изо
линии параметров У1 и У2 в двухмерном пространстве в координатах X 1 и
X 4 .
Рис. 6 иллюстрирует зависимости о к и КИМ от значений мощности
плазмотрона (X 1) и расхода воздуха при принудительном охлаждении (X 4 ).
Хорда, соединяющая два центра поверхностей функций У1 и У2 - соответ
ственно $ 1 и $ 2 , соответствует оптимальному решению. Область опти
мальных значений о к и КИМ находится внутри изолиний У1 = 215 МПа и
У2 = 80%.
Выбранные режимы напыления соответствуют оптимальной точке цент
ра р со значением критериев: У1( о к) = 225,6 МПа; У2 (КИМ) = 83,5%.
В натуральном масштабе имеем X 1( N ) = 21,75 кВт (I = 360...365 А,
и = 58...60 В); X 4 ( 0 охл) = 21 л/мин.
Таким образом, проведенная оптимизация процесса напыления кавита
ционно-стойких покрытий позволила определить режимы их нанесения,
соответствующие оптимальному сочетанию входных параметров процесса:
расход плазмообразующего г а з а ....... 40 л/мин;
мощность плазмотрона ....... 21,75 кВт (365 А, 60 В);
расход воздуха при принудительном охлаждении....... 21 л/мин;
дистанция напыления ....... 105 мм.
146 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 6
Оптимизация по критериям прочности
Goxл, л/мин
Рис. 6. Зависимости когезионной прочности а к и КИМ от значений мощности плазмотрона
(Х^ и расхода охлаждающего воздуха (X 4).
Значение выходных параметров при этом находилось на уровне а к =
к опт
= 225,6 МПа; КИМ = 79,2...82,0%.
Как и следовало ожидать, базовый вариант промышленной технологии
газотермического напыления, принятой на эмпирически интуитивной осно
ве, оказывается неоптимальным как по прочности ( а к), так и по экономи
ческой характеристике (КИМ).
Для достижения одновременно наибольших показателей а к и КИМ
необходимо изменить входные параметры:
мощность N плазмотрона повысить на 14,5%;
дистанцию напыления Ь уменьшить на 8,7%;
расход охлаждающего воздуха О охл увеличить на 40%.
Стендовые испытания по ускоренной методике [29] показывают, что
эрозионная стойкость гильзы с покрытием, нанесенным по оптимальным
режимам, составила 16000 моточасов, в то время как определяемая по
аналогичной методике кавитационная стойкость гильзы с покрытием, нане
сенным в соответствии с действующим техпроцессом, находилась на уровне
8000 моточасов.
Использование технологии нанесения антикавитационных покрытий на
гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания в оптимизированном
варианте позволяет уменьшить толщину защитного покрытия в два раза,
сохранив при этом кавитационную стойкость гильзы с покрытием на том же
уровне.
Заключение. На примере газотермического напыления эрозионно стой
ких покрытий из стали 12Х18Н10Т на внешнюю поверхность гильзы ци
линдра дизеля типа СМД предложена методика оптимизации технологи
ческого процесса по критериям прочности:
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 6 147
Е. К. Соловых, Б. А. Ляшенко, Ю. В. Дмитриев, Ю. С. Борисов
при математическом планировании эксперимента в качестве функции
отклика принимается когезионная прочность покрытия о к при соблюдении
*
оптимального соотношения с адгезионной прочностью г сц. Именно эти
критерии наиболее коррелируют с эрозионной стойкостью;
исходя из условий снижения материалоемкости в качестве еще одного
критерия оптимизации принимается КИМ;
в качестве нулевого плана эксперимента используется промышленная
технология, режимы которой установлены на эмпирической основе;
из уравнений регрессии определены условия получения максимальной
прочности о к при максимальном КИМ.
Стендовые испытания покрытий, нанесенных по оптимальным техно
логическим режимам, показывают, что долговечность покрытия увеличива
ется в два раза при уменьшенной во столько же раз его толщине только за
счет коррекции технологических параметров.
Р е з ю м е
Установлено, що механічні характеристики покриттів залежать від техноло
гічних режимів їх нанесення. Запропоновано методику оптимізації й управ
ління технологічним процесом за критеріями міцності і матеріалоємності на
прикладі плазмового напилення ерозійно стійких покриттів. Ерозійна стійкість
найбільш стабільно корелює з когезійною міцністю покриття. Із рівняння
регресії визначено максимальні значення когезійної міцності покриття й еро
зійної стійкості за оптимального співвідношення технологічних параметрів.
1. Б уди лов В. В ., М ухин В. С., М и н аева О. Б . Защитные свойства вакуум
ных ионно-плазменных покрытий на лопатках компрессоров ГТД //
Авиац. пром-сть. - 1995. - № 3-4. - С. 41 - 45.
2. H u ston R. P . Role of designed experiments to evaluate factors that influence
measured properties o f sprayed coatings // Proc. o f NTSC’90. - 1990. -
P. 675 - 680.
3. H eim an R ., L am y D ., a n d S o p k o w T. N . Parameter optimization of alumina-
titania coatings by a statistical experimental design // Proc. of NTSC’90. -
1990. - P. 491 - 496.
4. S te e p e r T., R ig g s W , a n d T agushi A . Design of experiment study of plasma
sprayed coatings // Proc. of NTSC’93. - 1993. - P. 31 - 36.
5. B isg a e rd S. Optimizing thermal spray processes - going beyond Tagushi
methods // Proc. of NTSC’90. - 1990. - P. 661 - 665.
6. V uoristo P ., A h m an iem i S., e t al. Optimization and monitoring of spray
parameters by a CCD camera based imaging thermal spray monitor // Proc.
of ITSC’2001. - 2004. - P. 727 - 735.
7. B u lan cea D ., B u kancea V., A lexan dru I., a n d C on du rach e D . The optimizing
of the superficial cold-burst hardening process of the inner cylindrical
metallic surface by knocking with centrifuged balls // Proc. of ITSC’2000. -
2000. - P. 957 - 962.
148 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2008, № 6
Оптимизация по критериям прочности
8. B lein F ., R o u sse l E ., a n d F reslon A . Experimental design based on McLean
and Anderson modeling applied to the prediction of plasma properties //
Proc. of 15th ITSC’98. - 1998. - P. 881 - 886.
9. M a tth e w s S. J. a n d H y la n d M . M . Statistical optimization of HVAF sprayed
Cr3C2-N iC r coatings for minimizing decarburization // Proc. of ITSC’2000.
- 2000. - P. 543 - 549.
10. К а р а с е в М . В ., Ч ерных Ю . К . Многокритериальная оптимизация пара
метров воздушно-дугового плазмотрона для напыления покрытий //
Свар. пр-во. - 1991. - № 6. - С. 39 - 41.
11. Х а р л а м о в М . Ю . Підвищення ефективності технологічних процесів
детонаційного напилювання покриттів на основі комплексної матема
тичної моделі: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Київ, 2005. - 21 с.
12. О пт им изация технологических процессов по критериям прочности:
Межвуз. темат. науч. сб. - Уфа, 1987. - 166 с.
13. М ет о ды и средства упрочнения поверхностей деталей машин концент
рированными потоками энергии. - М.: Наука, 1992. - 405 с.
14. G u essasm a S., M on tavon G., a n d C o d d e t C. Modeling of the ARS plasma
spray process using artificial neural networks: basis, requirements, and an
example // Comput. Mater. Sci. - 2004. - 29, No. 3. - P. 315 - 333.
15. Л яш ен ко Б. А ., Е рм олаев В. В., Д о л го в Н. А . Оптимизация составов и
технологии нанесения износостойких покрытий по критерию адгези
онно-когезионной равнопрочности // II Междунар. симп. по трибофати-
ке: Тез. докл. - М., 1996. - С. 58 - 59.
16. Л яш ен ко Б. А., Е рм олаев В. В., Д о л го в Н. А . Оптимизация техноло
гических режимов нанесения покрытий по прочностным и экономи
ческим критериям при восстановлении деталей машин // Междунар.
науч. симп. в области ремонта машин, посвященный памяти академика
Ю. Н. Петрова. - Кишинев, 1996. - С. 3 0 - 3 1 .
17. Л яш ен ко Б. А., Г р еч а н ю к Н. И ., Д о л го в Н. А. и др . Оценка ресурса и
оптимизация износостойких и теплозащитных покрытий деталей ГТД //
Междунар. конф. “Оценка и обоснование продления ресурса элементов
конструкций”. - Киев, 2000. - С. 147 - 148.
18. Щ еп ет ов В. В . Повышение износостойкости детонационных покрытий
путем оптимизации режимов напыления // Трение и износ. - 1999. - 11,
№ 5. - С. 844 - 848.
19. Щ епет ов В. В., Гулевецъ В. Д., Л оп ач С. М . т а ін. Математичне моде
лювання впливу технологічних та експлуатаційних факторів на форму
вання покриттів // Проблеми тертя та зношування. - 2006. - Вип. 46. -
С. 176 - 184.
20. Л яш ен ко Б. А ., Г реч ан ю к Н. И . Оптимизация и ресурс теплозащитных
покрытий деталей ГТД // Оценка и обоснование продления ресурса
элементов конструкций. - Киев: Ин-т пробл. прочности НАН Украины,
2002. - 2. - С. 819 - 824.
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2008, № 6 149
E. K. Соловых, Б. A. Ляшенко, Ю. В. Дмитриев, Ю. С. Борисов
21. Зам ят ин В. Ю . Анализ влияния способов упрочнения на свойства
исполнительных поверхностей деталей трения // Упрочняющие техно
логии и покрытия. - 2005. - № 3. - С. 3 - 10.
22. К аплун В. Г ., С ем еню к Н. Ф , П арш ен ко A. В . Оптимизация технологии
ионного азотирования в безводородных средах по параметрам проч
ности // Управление триботехническими и прочностными свойствами
механических систем. - Киев, 1990. - С. 113 - 118.
23. Т рапезон A. Г ., Л яш ен ко Б. A., Р ут ковски й A. В. Оптимизация вакуум-
плазменной технологии нанесения покрытий из титановых сплавов по
усталостной и контактно-усталостной прочности // II Междунар. симп.
по трибофатике. - М., 1996. - С. 65.
24. М акареви ч E. В., И ващ ен ко С. A., Ф ролов И. С. Исследование процесса
формирования напряжений в вакуумно-плазменных покрытиях на алю
миниевых подложках // Материалы, технологии, инструмент. - 2002. -
7, № 2. - С. 30 - 33.
25. Л яш ен ко Б. A., Т рапезон A. Г ., Е рм олаев В. В. и др . Использование
ускоренных усталостных испытаний для оптимизации технологии нане
сения упрочняющих покрытий // Проблемы и пути реализации научно
технического потенциала военно-промышленного комплекса. - Киев,
2000. - С. 103 - 104.
26. Л яш ен ко Б. A., Л лексю к М . М., К у зо вк о в Е. Г . Повышение долго
вечности деталей машин путем рационального конструирования защит
ных покрытий // I Междунар. конф. “Артиллерийские ствольные систе
мы, боеприпасы, средства артиллерии разведки и управление огнем”. -
Киев, 1997. - С. 118 - 131.
27. Л яш ен ко Б. A ., A н т оню к В. С ., В озненко В. В . Математическое модели
рование и оптимизация процесса электроискрового легирования при
формировании дискретных покрытий // V Междунар. науч.-метод. конф.
“Інтеграція освіти, науки та виробництва”. - Луцк, 2001. - С. 142 - 144.
28. Ч ист яков A. В. Повышение износостойкости и усталостной прочности
поверхностей деталей при изготовлении и проведении ремонта машин и
оборудования // Горн. информ.-анал. бюл. Моск. гос. горного ун-та. -
2004. - № 12. - С. 244 - 246.
29. Д ан иленко В. A., И щ енко Е. И., Ш алай A. Н. и др . Защита от кавитации
гильз цилиндров нанесением плазменного покрытия // Тракторы и с.-х.
машины. - 1988. - № 1. - С. 54 - 56.
30. H o b b s J. M . Experience with a 20-kc Cavitation Erosion Test // ASTM STP
408. - 1967. - P. 159 - 179.
31. Т и рувен гадам A . Обобщенная теория кавитационных разрушений: Тр.
Амер. об-ва инженеров-механиков. Сер. Д. Техническая механика. -
1963. - 48. - № 3.
32. Л яш ен ко Б. A., Д м и т ри ев Ю . В., Б огуш В. Н. и др . Определение
комплекса механических характеристик газотермических покрытий //
150 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2008, № 6
Оптимизация по критериям прочности
Современные достижения в области техники и применения газотерми
ческих и вакуумных покрытий. - Киев, 1991. - С. 90 - 97.
33. Л яш ен ко Б. А., Ш ари вкер С. Ю., Ц ы гул ев О. В. и др . Методика опре
деления механических характеристик композиции металл-защитное по
крытие // Пробл. прочности. - 1989. - № 8. - С. 113 - 115.
34. Д м и т ри ев Ю . В . Методологический подход к исследованию механи
ческих характеристик материалов с покрытиями: Автореф. дис. ... канд.
техн. наук. - Киев, 1990. - 17 с.
35. Л яш ен ко Б. А . О критериях адгезионно-когезионной равнопрочности и
термостойкости защитных покрытий // Пробл. прочности. - 1980. - № 10.
- С. 114 - 126.
36. К уди н ов В. В., П екш ев П. Ю., Б елащ енко В. Е. и др . Нанесение покры
тий плазмой. - М.: Наука, 1990. - 408 с.
37. Н ови к Ф. С., А р с о ф Я. Б . Оптимизация процессов технологии металлов
методом планирования экспериментов. - М.; София: Машиностроение;
Техника, 1980. - 340 с.
Поступила 01. 03. 2007
ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2008, № 6 151
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-48359 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:11:32Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Соловых, Е.К. Ляшенко, Б.А. Дмитриев, Ю.В. Борисов, Ю.С. 2013-08-18T14:31:57Z 2013-08-18T14:31:57Z 2008 Оптимизация по критериям прочности плазменного напыления
 эрозионно стойких покрытий / Е.К. Соловых, Б.А. Ляшенко, Ю.В. Дмитриев, Ю.С. Борисов // Проблемы прочности. — 2008. — № 6. — С. 136-151. — Бібліогр.: 37 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48359 539.4+621.793.1 Установлено, что механические характеристики покрытий зависят от технологических
 режимов их нанесения. Предложена методика оптимизации и управления технологическим
 процессом по критериям прочности и материалоемкости на примере плазменного напыления
 эрозионно стойких покрытий. Эрозионная стойкость наиболее устойчиво коррелирует
 с когезионной прочностью покрытий. Из уравнений регрессии определены максимальные
 значения когезионной прочности покрытий и эрозионной стойкости при оптимальном
 сочетании технологических параметров. Установлено, що механічні характеристики покриттів залежать від технологічних
 режимів їх нанесення. Запропоновано методику оптимізації й управління
 технологічним процесом за критеріями міцності і матеріалоємності на
 прикладі плазмового напилення ерозійно стійких покриттів. Ерозійна стійкість
 найбільш стабільно корелює з когезійною міцністю покриття. Із рівняння
 регресії визначено максимальні значення когезійної міцності покриття й ерозійної
 стійкості за оптимального співвідношення технологічних параметрів. We have established that mechanical characteristics
 of coatings depend on the technological
 regimes of their application. We propose a procedure
 of optimization and control of technological
 process by the strength and material
 consumption criteria, based on an example of
 plasma spraying of erosion-resistant coatings.
 Erosion resistance most stably correlates with
 the cohesive strength of coatings. The maximum
 values of the cohesive strength of coatings
 and erosion resistance are determined
 from the equations of regression for the optimum
 combination of the technological parameters. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Производственный раздел Оптимизация по критериям прочности плазменного напыления эрозионно стойких покрытий Optimization of plasma spraying of erosion-resistant coatings by strength criteria Article published earlier |
| spellingShingle | Оптимизация по критериям прочности плазменного напыления эрозионно стойких покрытий Соловых, Е.К. Ляшенко, Б.А. Дмитриев, Ю.В. Борисов, Ю.С. Производственный раздел |
| title | Оптимизация по критериям прочности плазменного напыления эрозионно стойких покрытий |
| title_alt | Optimization of plasma spraying of erosion-resistant coatings by strength criteria |
| title_full | Оптимизация по критериям прочности плазменного напыления эрозионно стойких покрытий |
| title_fullStr | Оптимизация по критериям прочности плазменного напыления эрозионно стойких покрытий |
| title_full_unstemmed | Оптимизация по критериям прочности плазменного напыления эрозионно стойких покрытий |
| title_short | Оптимизация по критериям прочности плазменного напыления эрозионно стойких покрытий |
| title_sort | оптимизация по критериям прочности плазменного напыления эрозионно стойких покрытий |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48359 |
| work_keys_str_mv | AT solovyhek optimizaciâpokriteriâmpročnostiplazmennogonapyleniâérozionnostoikihpokrytii AT lâšenkoba optimizaciâpokriteriâmpročnostiplazmennogonapyleniâérozionnostoikihpokrytii AT dmitrievûv optimizaciâpokriteriâmpročnostiplazmennogonapyleniâérozionnostoikihpokrytii AT borisovûs optimizaciâpokriteriâmpročnostiplazmennogonapyleniâérozionnostoikihpokrytii AT solovyhek optimizationofplasmasprayingoferosionresistantcoatingsbystrengthcriteria AT lâšenkoba optimizationofplasmasprayingoferosionresistantcoatingsbystrengthcriteria AT dmitrievûv optimizationofplasmasprayingoferosionresistantcoatingsbystrengthcriteria AT borisovûs optimizationofplasmasprayingoferosionresistantcoatingsbystrengthcriteria |