Способ обработки поверхности под высокоскоростное газотермическое напыление

УДК 621.793 К.В. Зайцев

СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ

ПОД ВЫСОКОСКОРОСТНОЕ ГАЗО ТЕРМИЧЕСКОЕ

НАПЫЛЕНИЕ

Приведены результаты исследований по напылению высокоскоростных покрытий газопламенным и детонационным методами на подложку, подготовленную ультразвуковой обработкой. Показано, что использование ультразвуковой обработки позволяет формировать надежную адгезионную связь между покрытием и подложкой.

Ключевые слова: покрытие, высокоскоростное напыление (ИУА^), ультразвуковая обработка, адгезия.

современном промышленном производстве одним из пу-

X-# тей решения вопроса создание новых материалов с уникальными свойствами является нанесение специальных покрытий на конструкционные материалы. Значительное место среди множества известных способов нанесения покрытий занимает метод газотермического напыления.

Современная тенденция повышения адгезионных свойств напыляемых покрытий направлена на увеличение скорости распыляемых частиц. Однако при этом не уделяется достаточного внимания предварительной подготовке напыляемой поверхности. Подготовка поверхности перед напылением является неотъемлемой частью технологического процесса нанесения покрытий, поскольку она очищает и химически активирует подложку.

Существуют различные методы подготовки поверхности, перед напылением очищающие и выводящие из состояния термодинамического равновесия со средой, освобождая межатомные связи поверхностных атомов. Наиболее распространенные из них: термическая активация (нагрев поверхности основы); механическая активация (фрезерование насечки и канавок, «рваная» резьба, струйно-абразивная обработка и др.); прочие методы (электроискровая обработка, химическое травление, очистка тлеющим разрядом и др.) [1].

Выбор способа подготовки поверхности зависит от многих факторов: вида наносимого покрытия; толщины покрытия; метода

напыления; конфигурации и размеров изделия; функционального назначения изделия.

Способ подготовки поверхности влияет на прочностные характеристики основы. Механические способы подготовки основы со снятием стружки и обработка абразивами создают на изделии концентраторы напряжений и вызывают неравномерные изменения структуры основного металла, снижают усталостную прочность (до 60% первоначальной). Механические способы подготовки основы без снятия стружки повышают усталостную прочность на 20 - 30%, обеспечивают поверхностный наклеп и увеличивают контактную выносливость [1].

В данной работе исследовано влияние мощного ультразвукового воздействия на напыляемую подложку, заключающееся в обработки поверхности твердосплавным индентером колеблющемся с ультразвуковой частотой.

Экспериментальные исследования проводили на образцах из стали 20, поверхность которых подвергалась обработки с помощью ультразвуковой установки. Покрытия наносились с использованием порошков самофлюсующихся сплавов (NI-Cr-B-Si) и чистых металлов (никель, хром, молибден) с применением высокоскоростной газопламенной (HVAF) и детонационной установок.

Для исследования морфологии и шероховатости основы и для анализа характера соединения покрытий с основой после отсоединения покрытий применялся профилометрический комплекс «Micro measure 3D station». С помощью растрового электронного микроскопа «Philips SEM 515», предназначенного для топографического и качественного фазового анализа поверхностей металлических материалов, исследовалось состояние поверхности основы после отсоединения покрытий. С помощью графической программы проводилась оценка площади очагов схватывания основы с покрытием по величине, которой прогнозировалась адгезионная прочность.

Обработка металлической поверхности механическими методами оказывает заметное влияние на величину энергии активации [2]. Пластические деформации, возникающие в процессе обработки, порождают многочисленные дефекты в кристаллической решетке материала. Атомы в несовершенной кристаллической решетке обладают более высокой потенциальной энергией, что приводит к уменьшению энергии активации.

I увеличено

Схема установки: 1 - обрабатываемая деталь, 2 - шарик из твердого сплава, 3 - магнитострикционный преобразователь, Рст -статическая сила, D - диаметр детали

Одним из видов механической обработки поверхности является ультразвуковая обработка. Принципиальная схема обработки представлена на рисунке.

Ультразвуковая обработка заключается в пластическом деформировании поверхностных слоев основы инструментом, колеблющимся с ультразвуковой частотой (24 кГц).

Гребни шероховатости, полученные после предварительной токарной обработки деформируются твердосплав-ным инденте-ром с образованием нового микрорельефа поверхности. Вновь образованная поверхность имеет благоприятную морфологию для хорошего растекания жидких напыляемых частиц и образования сплетов.

Формирующийся при ультразвуковой обработке ячеистый микрорельеф, мелкозернистая, с высокой плотностью дефектов кристаллического строения структура поверхностного слоя и внутренние напряжения сжатия могут обеспечить надежную адгезионную связь [3]. В результате ультразвуковой обработки происходит измельчение зеренной структуры до субмикрокри-сталлических и нано размеров [4].

Эффективность соединения покрытия с основой исследовалась путём изучения строения поверхностных слоёв образцов после отрыва покрытий. После отрыва покрытий поверхность имеет следующий вид: очаги схватывания напыляемых частиц с основой, характеризующиеся когезионным разрушением покрытия, чередуются с участками, по которым произошло адгезионное отсоединение покрытия. Количественная оценка адгезии напыленных покрытий была проведена с помощью оценки совокупной площади очагов схватывания напыленных частиц и основы. Соотношение этих участков и определяет эффективность схватывания покрытия с основой [5, 6]. Было определенно, что площадь очагов схватывание после ультразвуковой обработки составляет для различных покрытий от 40% до 80%.

Существенное отличие наблюдается и в распределении значений микротвёрдости в композиции «покрытие-основа» при использовании ультразвуковой обработки для подготовки основы под напыление. Увеличение значений микротвёрдости в обработанных ультразвуком слоях свидетельствует как об измельчении зёрен, повышении дефектности зёренной структуры, так и формировании напряжений сжатия в поверхностных слоях. Осо-

бо следует обратить внимание на сглаживание скачка значений микротвердости, который имеет место при напылении особенно твёрдых покрытий и может благоприятно повлиять на их работоспособность.

С помощью современных методов металлографического и профилометрического анализа определено, что предварительная струйно-абразивная обработка, за счет реализации нескольких каналов активации и увеличения поверхности контакта, приводит к формированию прочной связи на границе композиции «покрытие-основа». Минимальная шероховатость поверхности основы обработанной ультразвуком обеспечивает равномерное воздействие импульсного и напорного давления жидких капель напыляемого материала на основу. При этом формирование волнистого субмикрорельефа и модифицированной (измельчённой) структуры поверхностного слоя способствует, в отличие от обычного шлифования поверхности, существенному увеличению адгезии и реализации механического канала активации на всей поверхности основы.

Принимая во внимание благоприятное влияние на упрочнение основы процесса измельчения структуры и формирования сжимающих напряжений при ультразвуковой обработке, позволяет говорить о перспективности применения такой обработки при нанесении износостойких покрытий. Образовавшаяся на границе раздела адгезионная связь между покрытием и выглаженной ультразвуковым инструментом основой соответствует технологическим требованиям. Ультразвуковая обработка предлагается в качестве способа подготовки поверхности перед нанесением высокоскоростных покрытий и в первую очередь на телах вращения, когда струйно-абразивная обработка недопустима по эксплуатационным и технологическим соображениям.

--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко С.Л., Ардатовская Е.Н. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник «Наукова думка», 1987. - 544 с., ил.

2. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. Под ред. Б.С. Митина. М., Металлургия, 1987г.

3. Клименов В.А., Каминский П.П., Толстов В.П., Ковалевская Ж.Г., Уваркин

П.В. Разработка технологии и оборудования для ультразвуковой обработки бандажей колес локомотивов // Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудование и металлоконструкций: Материалы 5-ой Международной практической конференции-выставки. СПб.: Изд-во

СПбГПУ, 2003. - С. 199-203.

4. Патент РФ № 2354715. Дата регистрации 10.05.2009 / Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Зайцев К.В., Борозна В.Ю., Толмачев А.И. Способ упрочнения деталей из конструкционных сплавов.

5. Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Зайцев К.В., Толмачев А.И. Исследование адгезии покрытий, полученных высокоскоростным газопламенным напылением. Известия Томского политехнического университета 2007г. Том 310 № 3, Стр. 57-61.

6. Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Ульяницкий В.Ю., Зайцев К.В., Борозна В.Ю. Влияние ультразвуковой обработки основы на формирование покрытия при детонационном напылении. Технология машиностроения 2008г. № 7. с. 22-26.

— Коротко об авторе ---------------------------------------------

Зайцев К.В. - ст. преподаватель, Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета, E-mail: zait-sev81@rambler.ru