Розробка технології та модернізація обладнання для напилення теплозахисних покриттів на соплові (стр. 2 из 4)

Якість покриття залежить від великого числа змінних факторів, таких як конструкція розпилювача, рід і витрата плазмоутворюючого газу, потужність і фізико-хімічні властивості напилюваного матеріалу, швидкість його подачі, відстань від розпилювача до поверхні виробу, відносна швидкість переміщення розпилювача та виробу, склад захисного середовища, спосіб підготовки поверхні виробу, температурний режим у процесі формування покриття і т. д. Тому важливим питанням є вибір способу напилення.

Підшарок і проміжний шар на соплові лопатки ГТД краще напилювати у динамічному вакуумі для запобігання окислення порошку на шляху від пальника до основи. При цьому використовують установку УПНКА (рис.2.1)[5]

Рис. 2.1. Принципова схема установки плазмового напилення при зниженому тиску (динамічному вакуумі):

1 – вакуумний засув; 2 – масловіддільник; 3 – вакуумний насос

АВЗ – 180; 4 – вакуумметр стрілковий, зразковий; 5 – вакуумні насоси 2ДВН – 500М; 6 – фільтр вакуумпроводу; 7 – вакуумна лампа; 8 – плазмотрон; 9 – порошковий дозатор; 10 – вакуумна камера; 11 – вакуумметр; 12 – ілюмінатор; 13 – пульт керування;

14 – приводи маніпулятора

Керамічний шар рекомендується напилювати на повітрі за допомогою універсальної плазмової установки УПУ – 3Д з плазмотроном ПП–25 (рис. 2.2).

Установка плазмова універсальна УПУ – 3Д розроблена у колишньому СРСР. Її універсальність полягає у можливості як порошкового, так і дротового напилювання. При дротовому напилюванні процес здійснюють нейтральним дротом і дротом-анодом. Установка комплектується двома плазмотронами: для порошкового (ПП – 25) і дротового (ПМ – 25) напилювання. Відповідно до складу установки входить порошковий дозатор роторного типу і механізм подачі дроту з електроприводом постійного струму. Для живлення дуги використовується джерело живлення ИПН 160/600. Газова система передбачає подачу двох плазмотвірних і транспортувального газів. Система водяного охолодження здійснюється від водопроводу. Для інтенсифікації охолодження передбачено додатковий водяний насос.

Рис. 2.2. Схема установки УПУ – 3Д:

1 – шафа для напилювання; 2 – механізм обертання виробу; 3 – маніпулятор плазмотрона; 4 – порошковий дозатор; 5 – плазмовий розпилювач; 6 – шафа управління; 7 – балон з газом; 8 – джерело живлення

Для створення плазмового струмення використовують плазмоутвірний газ. Традиційно найбільш розповсюдженими плазмоутвірними газами при напиленні покриттів є аргон, азот, водень, гелій та їх суміші, хоча для стабілізації дуги теоретично можуть використовуватися і використовуються й інші гази і газові суміші, зокрема, аміак, повітря, суміш аміаку з азотом, водяна пара тощо [5]

При виборі плазмоутвірного газу враховуються такі його характеристики:

1) комплекс фізико-хімічних властивостей, які визначають фізичний стан плазми (теплоємність, теплопровідність, потенціал іонізації газу);

2) комплекс фізико-хімічних властивостей, які визначають взаємодію плазмоутворюючого газу з оброблюваним матеріалом, і основою та забезпечують проходження цих процесів у потрібному напрямку;

3) ступінь взаємодії плазми з електродами генератора плазми;

4) забезпечення безпечних умов при роботі з обладнанням (нетоксичність, внбухобезпечність);

5) ціну і доступність забезпечення.

У даному випадку в якості плазмоутвірного газу буду використовувати аргон.

Додаткове обладнання: дробоструминна шафа, розривна машина і т. п., контрольно-вимірювальна апаратура (товщиноміри, профілограф-профілометр, дефектоскоп і т. п.).

Вимоги до обладнання:

настройку обладнання на необхідний режим роботи треба здійснювати відповідно до технічної документації на обладнання;

допускається застосовувати обладнання, яке є на підприємстві і забезпечує режими технологічного процесу, якість покриттів згідно з ДСТУ;

балони і мережні газові редуктори повинні відповідати вимогам ГОСТ 6168–68;

балони для аргону, азоту і повітря повинні задовольняти вимоги ГОСТ 949–73[5]

3. Вибір типу, складу і товщини покриття

Тип, склад і товщина покриття вибирається з урахуванням призначення та умов роботи виробу, що напиляється. Так, на соплову лопатку ГТД спочатку наносять корозієстійкий шар Со-Сr-Al-Y-Si, який у даному випадку виконує роль підшарку. Для забезпечення необхідних властивостей робочої поверхні наносять теплозахисний шар (ZrО₂ (7% Y₂О₃ )). Для зрівнювання коефіцієнта температурного розширення (КТР) та запобігання розшарування покриття між підшарком і основним шаром створюють проміжний шар на основі суміші Со-Сr-Al-Y-Si + 15%ZrО₂ (7% Y₂О₃ ).Таким чином, отримується покриття з тришаровою структурою (рис.1.2).

Вибір товщини покриття є важливим етапом при напиленні. З практичної точки зору доцільно наносити покриття з сумарною товщиною не більше 400 мкм. При перевищуванні даного значення покриття може відшаровуватись від основи або розтріскуватись. А навпаки, при зменшенні товщини напилений шар може не задовольняти поставленні до нього вимоги, матиме знижені теплозахисні та міцнісні характеристики, довговічність. Так, на практиці підшарок наносять товщиною менше 0,1 мм; проміжний шар товстіший (0,15…0,2 мкм), так як він служить для зменшення різниці КТР; зовнішній шар має найбільшу товщину (біля 0,2 мкм), тому що виконує головну функцію при захисті матеріалу основи деталі в умовах її роботи.

Таким чином, врахувавши всі дані, здійснюю остаточний вибір складу, товщину кожного шару:

· підшарок – до 100 мкм Со-Сr-Al-Y-Si;

· проміжний шар – до 100 мкм (ZrО₂ (7% Y₂О₃ )) ;

· теплозахисний шар – 150-200мкм Со-Сr-Al-Y-Si + 15%ZrО₂ (7% Y₂О₃ ) .

4. Розрахунок та оптимізація технологічних параметрів плазмового напилення покриттів за допомогою моделі

На практиці напилення покриттів здійснюють на великих електричних потужностях (часто понад 10…15 кВт) [6], що підвищує собівартість продукції. Ефективний ККД електричної потужності складає лише 7…10 %[5]. Це викликає потребу у зниженні енергетичних витрат при плазмовому напиленні покриттів.

Раціональніше оптимізувати процес, що дозволить знизити теплову потужність плазмового напилення, можна за допомогою математичних моделей з розрахунками на ПЕОМ.

Розроблено кілька моделей, які мають ряд припущень і дозволяють розрахувати газодинамічні і теплофізичні параметри плазмового напилення, температуру й швидкість газу на зрізі сопла, температуру й швидкість частинок порошку в потоці плазми. Вплив припущень на результати розрахунків не однозначний і залежить від їх кількості і ступеня коректності. Оскільки на процес плазмового напилення покриттів впливають кілька десятків факторів, що важко піддаються оптимізації, то можливість укладання узагальненої математичної моделі, яка дозволить ефективно управляти процесом шляхом вибору і корегування більш точних моделей окремих стадій напилювання, має велике теоретичне і практичне значення. [5]

За основу узагальненої моделі прийнята математична модель двофазного плазмового струменя [7]. Вибрані рівняння (1)–(5), які дозволяють визначити температуру і швидкість плазмового струменя на зрізі сопла плазмотрона.

Для визначення температури та швидкості газу в кожному елементарному об’ємі були використані рівняння (10), (11), що наведені в [5, 6]. Рівняння, які входять до складу математичної моделі [7] і дозволяють визначити згадані параметри, містять в собі коефіцієнт абсолютної чорноти тіла, довідкові значення якого для окремих матеріалів відрізняються інколи на порядок. Тому ці обставини, а також урахування сил аеродинамічного опору частинок порошку і обумовили використання рівнянь (10), (11).

Для визначення температури та швидкості частинок порошку в кожному елементарному об¢ємі використані рівняння (12)–(17), які взяті із математичної моделі [7].

Таким чином, остаточно узагальнена і скорегована математична модель містить 17 рівнянь і має вигляд:

;	(1)
;	(2)
; ;	(3)
	(4)
;	(5)
;	(6)
;	(7)
;	(8)
;	(9)
;	(10)
;	(11)
;	(12)
;	(13)
;	(14)
;	(15)
;	(16)
.	(17)

де T_з.с – температура плазми на зрізі сопла плазмотрона, К; с_р_г – питома теплоємність газу, кДж/ (кг×К); е₀ – заряд електрона, Кл; K – стала Больцмана, Дж/К; e₀ – електрична стала, Ф/м; R – універсальна газова стала, Дж/(моль·К); і – кількість ступенів вільності; m_г – молярна маса газу плазми, кг/моль; j_г – перший потенціал іонізації газу, В; а – коефіцієнт, що залежить від положення елемента в періодичній системі; Е_г– енергія дисоціації газу, Дж; Т₀, Р – початкові температура і тиск плазмоутворюючого газу, a – ступінь однократної іонізації плазмоутворюючого газу; V_г – об'ємна витрата плазмоутворюючого газу, м³/с; W – електрична потужність, яка подається на плазмотрон, Вт; W_p – потужність, яка розсіюється у плазмотроні, Вт; W_p = m_вc_вT; m_в – масова витрата охолоджуючої води, кг/с; с_в – питома теплоємність води, с_в = 4190 Дж/(кг×К); Т – зміна температури води на вході і виході із плазмотрона; Р₀ – тиск навколишнього середовища, Па; S – площа перерізу сопла плазмотрона, м²; DТ_чi – зміна середньої температури частинки в і-му елементі, К; Т_ч(i–1) середня температура частинки на вході в і-й елемент об’єму, К; Т_гі – середня температура плазми в і-му елементі об’єму, К; Nu – критерій Нуссельта; l_г – теплопровідність плазми, Вт/(м·К); Dw_чi– зміна середньої швидкості частинок, що вводяться в плазму, м/с; Dw_ч(i–1)– середня швидкість частинок на вході в і-й елемент об’єму, м/с; w_гi– середня швидкість плазми в і-му елементі об’єму, м/с; h_і – коефіцієнт динамічної в’язкості газу, Па·с; w_0г– швидкість газу в перерізі введення порошку у потік, м/с; r_г – густина плазмоутворюючого газу, кг/м³; r_ч – теоретична густина матеріалу частинок, кг/м³; G_г – витрата плазмоутворюючого газу, кг/год; G_ч – витрата порошку (продуктивність процесу), кг/год; С_D – коефіцієнт аеродинамічного опору частинок порошку; d_ч – діаметр частинок порошку (дисперсність матеріалу), м; Dх – шлях, який пройдено частинкою (дистанція напилення), м; Т_г0 – початкова температура газу, К; a_Т – коефіцієнт тепловіддачі від газу до частинки, Вт/(м³·К); С_пл – середня теплоємність плазмоутворюючого газу при постійному тиску, кДж/(кг·К); w_г – швидкість плазмоутворюючого газу, м/с.