Разработка оборудования и технологии нанесения износостойких покрытий с применением плазменного метода

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

УДК 621.793.7

А. Н. Смирнов, Ю. Д. Шориков, Н. А. Амельченко Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАЗМЕННОГО МЕТОДА

Описаны методика и оборудование для нанесения твердосплавного покрытия на рабочие поверхности деталей подвижных сопряжений, методика и оборудование для испытаний образцов на изнашивание в среде незакрепленного абразива, обсуждаются результаты испытаний на изнашивание.

Во многих случаях работоспособность машины, долговечность и надежность определяются долговечностью трущихся поверхностей подвижных соединений. Надежность и долговечность агрегатов машин и оборудования во многом обусловлены явлениями трения и изнашивания, происходящими в узлах подвижных соединений. Изнашивание приводит к нарушению герметичности узлов, теряется точность взаимного расположения деталей и перемещений. Трение приводит к потерям энергии, перегреву механизмов, снижению передаваемых усилий, повышенному расходу горючего и других материалов, снижению коэффициента полезного действия.

Обеспечение работоспособности подвижного соединения (как триботехнической системы) возможно при условии изучения основных конструкционных, технологических и эксплуатационных параметров. Работоспособность, долговечность и надежность машин закладываются при проектировании, обеспечиваются при изготовлении и реализуются при эксплуатации. Потеря деталью работоспособности в большинстве случаев начинается с поверхности в результате изнашивания, коррозии, эрозии, термопластических эффектов и др. Именно поверхностный слой подвижного сопряжения в условиях эксплуатации подвергается наибольшим механическим, тепловым, электростатическим, химическим и другим воздействиям. Невозможно защитить поверхность от всех вредных воздействий, но всегда можно найти способы и средства уменьшить их негативное влияние на работоспособность трибосоп-ряжения. Значительный ресурс повышения работоспособности заключен в материале, из которого изготовлены элементы конструкций, в его поверхностном слое.

Авторами разработаны способы получения комбинированных и твердосплавных покрытий, модифицирующие поверхностный слой контактирующих элементов и увеличивающие износостойкость, долговечность и ресурс подвижных соединений машин [1; 2].

Нанесение на детали покрытий из твердых материалов, в частности карбида вольфрама, используя плазменное напыление является актуальным в авиационно-космической технике, буровой технике и других отраслях работающих в загрязненной среде с абразивом [3].

Целью исследований являлось изучение долговечности и антифрикционных свойств покрытий, полученных методом плазменного напыления из порошков твердого сплава.

Для нанесения твердого покрытия, состоящего из порошка твердого сплава используется плазмотрон ПКП-1, модернизированный с помощью двух вставок для увеличения мощности [4].

Для увеличения равномерности покрытия при напылении на плоские поверхности был разработан манипулятор перемещения плазмотрона, позволяющий перемещать плазмотрон по двум координатам х и у.

Напыление образцов для испытаний на изнашивание производилось неподвижным плазмотроном, установленным в вакуумной камере с вакуумом 10-4 Па. Вакуум создавался диффузионным насосом.

Перед нанесением износостойкого покрытия производится подготовка смеси порошка из керамики или износостойкого материала и подготовка подложки. После напыления производится контроль качества поверхности. Покрытие, нанесенное неподвижным плазмотроном имеет форму горки с максимальной толщиной в центре, которая уменьшается по краям. Для достижения ровной гладкой поверхности производилось шлифование. Наиболее надежным способом оценки качества покрытий являются микроструктурный анализ, измерение адгезионной прочности и контроль микротвердости.

Далее производилась подготовка образцов для испытания на изнашивание машине торцевого трения. Перед испытаниями образцы тщательно обезжириваются, просушиваются и взвешиваются с точностью до 0,1 мг.

Нижний образец устанавливается в держатель образцов. На поверхность наносится испытуемая абразивная смесь толщиной 0,5 мм. Узел трения собирается и устанавливается в испытательную машину. Рычажной системой путем подвещивания грузов необходимого веса создавалось требуемое давление в испытуемом трибосопряжении. Время эксперимента устанавливается опытным путем. Длительность испытаний составляла 10, 20, 30 минут. В период проведения эксперимента возможно измерение момента трения при помощи тензобалки.

По окончанию эксперимента узел трения разбирается, образцы промываются и взвешиваются. По изменению массы образцов определяют весовой износ. Снимается профиллограма поверхности.

Секция «Модели и методы анализа прочности, динамики и надежности конструкций КА»

Профилографирование поверхности проводилась прибором TIME Group Inc. модель TR-200. После анализа полученных профилограмм рабочих поверхностей образцов из стали 40Х и образца с напыленным покрытием сделали следующий вывод. Поверхность трения стального образца, работавшего в паре с твердосплавным покрытием, имела на порядок меньшие значения шероховатости, чем у образца, который работал в паре со сталью 40Х. Также на порядок различались и значения величины интенсивности изнашивания стальных образцов, работавших в паре с твердосплавным покрытием и стальным образцом.

Таким образом, результаты испытаний на изнашивание показали возможность увеличения износостойкости подвижных сопряжений, работающих при абразивном загрязнении, путем нанесения на рабочие поверхности твердосплавных покрытий плазменным методом.

Библиографические ссылки

1. Лебедев В. М., Демидов А. И., Смирнов Н. А. Способ изготовления поверхности трения. Авт. свид. № 834368 (СССР). Опубл. в Б. И. 1981. № 20.

2. Саунин В. Н., Коваленко Г. Д., Амельченко Н. А. и др. Авт. свид. № 1616499, МКИ Н05В 7/22. Электродуговой плазмотрон для нанесения покрытий /Заявка 4398596/24-07 от 20.03.88.

3.Кудинов В. В., Бобров Г. В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технологии, оборудование. М. : Металлургия, 1989. С. 432.

4. Смирнов А. Н., Шориков Ю. Д., Лукин В. А., Амельченко Н. А. Влияние газо- и электрических параметров на условия формирования компактного потока // Решетневские чтения : материалы XIII Междунар. науч. конф. Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2009. С. 348-350.

© Смирнов А. Н., Шориков Ю. Д., Амельченко Н. А., 2010

УДК 621:396.677

В. Б. Тайгин, А. С. Щуряков Научный руководитель - А. К. Шатров ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Железногорск

ИЗОГРИДНЫЕ СТРУКТУРЫ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В КОНСТРУКЦИЯХ АНТЕНН КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Снижение массы конструкций космических аппаратов является важнейшей задачей их проектирования. Изогридные структуры, получаемые намоткой или выкладкой волокон композиционных материалов, имеют высокие механические характеристики, небольшую массу и могут быть применены в конструкциях различных видов антенн, в том числе спиральных и рупорных.

В силу своих высоких весовых и механических характеристик, изогриные (однородные сетчатые) конструкции нашли широкое применение в космической технике. Их используют в качестве силовой конструкции космических аппаратов (КА), для различных штанг и мачт, а также в качестве спиц крупногабаритных рефлекторов.

В данной статье предлагается использовать изо-гридные структуры, как силовой каркас спиральных и рупорных антенн, имеющих во многих случаях большие габариты и массу.

Для изготовления изогридных структур из композиционных материалов наиболее эффективным является метод непрерывной автоматической намотки волокном. Метод намотки волокном - сравнительно простой процесс, его суть заключается в том, что армирующий материал в виде непрерывного ровинга (жгута) или нити (пряжи) наматывается на вращающуюся оправку. Специальные механизмы, которые перемещаются со скоростью, синхронизированной с вращением оправки, контролируют угол намотки и расположение армирующего материала. Такой метод позволяет значительно сократить время на изготовление и снизить экономические затраты.

Обычно в качестве силовой основы крупногабаритных спиральных антенн используют составную трубу из стеклопластика. Использование вместо трубы изогридной структуры (рис. 1) на основе ара-мидного или стекловолокна позволит снизить массу в 1,5-2 раза при этом мы получим достаточно жесткую и прочную конструкцию. Однако в этом случае, в качестве ленты проводника (2) целесообразно использовать ленту из углепластика. Она выкладывается поверх силового изогридного каркаса, затем лента и каркас проходят совместную полимеризацию. Применение в качестве материала ленты проводника углепластика необходимо для того, чтобы лента сохраняла свою форму в тех местах, где она не опирается на каркас (1).

Использование для намотки арамидного волокна позволит снизить массу и повысить механические характеристики конструкции. Также коэффициент термического расширения (КТР) арамидного волокна наиболее приближен к КТР угольного волокна, таким образом, возможно избежать различий в величинах деформаций каркаса и ленты-проводника. Еще одним преимуществом арамидного волокна является то, что органопластик на его основе обла-