Повышение производительности и качества обработки поверхности крупногабаритных деталей сложной геометрической формы потоками металлической плазмы в вакууме

• Автор: Рыбников, Сергей Иванович
• Шифр специальности: 05.03.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 190 с. : ил.

1. Теоретические и технологические особенности обработки
поверхности материалов плазмой вакуумно-дугового разряда
1.1. Перспективы применения вакуумных ионно-плазменных
технологий модифицирования поверхностей материалов в машиностроении
1.2. Физико-технические процессы в плазме, определяющие параметры
технологического оборудования
1.3. Формирование поверхностных слоев ускоренными потоками
металлической плазмы
1.4. Анализ современного оборудования для вакуумно-дугового
нанесения покрытий
1.5. Цели и задачи
2. Формирование и транспортировка потоков металлической
плазмы
2.1. Совершенствование зондовой диагностики плазменных потоков
2.2. Расчёт теплового режима катода вакуумно-дугового испарителя
материалов
2.3. Разработка систем транспортировки потоков плазмы наносимого
материала на крупногабаритные изделия и детали сложной формы
2.4. Результаты и выводы по главе
3. Факторы, определяющие работоспособность защитных покрытий,
и методики аттестации покрытий
3.1. Требования, предъявляемые к покрытиям
3.2. Методика исследования структуры, фазового и химического
состава покрытий
3.3. Методика коррозионных испытаний покрытий
3.4. Методика испытаний на термоусталость
3.5. Методика определения шероховатости поверхности покрытия
3.6. Использование метода акустической эмиссии для исследования
свойств покрытий

3.7. Результаты и выводы по главе
4. Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии,
оборудование и исследование свойств поверхности материалов
4.1. Специализированная вакуумно-дуговая установка и технология
нанесения защитных покрытий на лопатки газовых турбин
4.2. Металлографический анализ структуры и термическая обработка
литого кобальтового сплава для изготовления катодов ионноплазменных установок
4.3. Химические транспортные реакции при высокотемпературной
коррозии лопаток газовых турбин
4.4. Коррозионная стойкость покрытий системы СоСгА1 У
4.5. Термоциклическая прочность покрытий
4.6. Структура и свойства покрытий
4.7. Испаритель протяженной конструкции и его применение
4.8. Технологическое применение систем транспортировки плазменных
потоков
4.9. Комбинированные технологии формообразования с применением
защитных покрытий
4.10. Результаты и выводы по главе
Заключение
Список литературы
Приложения

Во многих случаях эксплуатационные свойства деталей определяются состоянием их поверхностного слоя. Это объясняется тем, что поверхностный слой детали при ее эксплуатации подвергается наиболее сильно механическому, тепловому, химическому и другим воздействиям. Поэтому одним из наиболее эффективных способов повышения ресурса и надежности работы деталей является ионно-плазменное модифицирование их поверхности.
В последние годы интерес к технологиям обработки поверхности с целью повышения служебных свойств деталей и ресурса машин сильно возрос, особенно после того, как стало ясно, что, целенаправленно изменяя параметры технологических процессов, можно в нужном направлении изменять свойства поверхности и детали в целом. Обработка поверхности с нанесением покрытий позволяет проводить прецизионную размерную обработку поверхности, существенно повышать механическую прочность деталей, улучшать их антикоррозионные свойства и сопротивление износу, изменять коэффициенты трения, повышать теплозащитность деталей. При всех основных способах нагружения поверхностный слой деталей оказывается более нагруженным, чем сердцевина. Поверхностный слой в некоторой части детали может оказаться в самых неблагоприятных условиях (с точки зрения напряженности), поскольку рабочие напряжения складываются с технологическими остаточными микронапряжениями. Это приводит к принципиальным изменениям напряженности в поверхностном слое: резко'возрастают результирующие напряжения, действующие в процессе эксплуатации, полностью меняется эпюра распределения напряжений по сечению детали. Таким образом, с позиции прочности детали важно, какая будет применена ее технологическая обработка, обусловливающая напряженное состояние материала поверхностного слоя.
Большой научный и практический интерес представляет разработка технологических процессов, основанных на формировании пленочных структур из плазмы наносимого материала, позволяющих наиболее эффективно управлять состоянием поверхностного слоя твердого тела. Процессы взаимодействия плазменных потоков с поверхностью твердого тела, механизмы изменения свойств поверхности под воздействием данных потоков, механизмы разрушения модифицированного поверхностного слоя в различных условиях эксплуатации, процессы создания новых перспективных материалов, в том числе и

у = ^і0 0;3гсепеУ;5Р3Ь3
"л епеП3Ь3
Однако, экспериментальные исследования показали, что покрытие наносится не только на половину поверхности зонда, обращенную к плазменному потоку (рис. 2.1 в), но и на часть боковой поверхности, ограниченной углами а. Поэтому бомовский ток необходимо рассчитывать с учетом дополнительной площади зонда, на которую этот ток поступает, то есть 1б = 0,6епеУ}58эф(У;3 /Упл),
1 1 7а 1 2 VБэфОЪ, /Упл) = -7Г03Ь3 +-7Г03Ь3 — = -тЯ)3Ь3 (1 + -агс1ё-^)
2 2 л: 2 к Упл
откуда имеем выражение для расчета скорости плазменного потока:
у- _ ^і0 ~ 0»бепе У;3яР3Ь3(0,5 +1 ,■ лагсі^/Упл)
ПЛ т-ч т * V * У
епеР3Ь3
Разница в результатах между выражением (2.4) и более точным выражением (2.5) определяется как
ДУПЛ = 0,6 УІ5агс1Є(Уіз / Упл). (2.6)
Для реального соотношения Уь/Ущ, = 1/4 ДУПЛ ~ 0,037УПЛ , т.е. погрешность составляет приблизительно 3,7%.
Таким образом, получено более точное выражение для расчета скорости плазменного потока, повышающее на несколько процентов точность зондовой диагностики.
2.2. Расчёт теплового режима катода вакуумно-дугового испарителя материалов
Баланс мощности, выделяющийся на электродах вакуумно-дугового испарителя, имеет существенное значение, как для их конструктивного расчета, так и для реализуемых с их помощью технологических процессов. Последнее обстоятельство вытекает из факта существенного влияния интегральной температуры поверхности катода на состав продуктов эрозии в катодных пятнах и свойства покрытий.
Рассмотрим баланс мощности на катоде. В настоящее время имеются работы, посвященные теоретическому и экспериментальному изучению этого вопроса [75, 76].
Современное состояние теории не позволяет создать методику инженерно-