Курсовая работа: Розробка технології та модернізація обладнання для напилення теплозахисних покриттів на соплові

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% Y₂ О₃ )). 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% Y₂ О₃ ). 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% Y₂ О₃ )) ;

· теплозахисний шар – 150-200мкм Со-Сr-Al-Y-Si + 15% ZrО₂ (7% Y₂ О₃ ) .

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); е ₀ – заряд електрона, Кл; K – стала Больцмана, Дж/К; e ₀ – 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; Т ₀ , 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 _в c _в T ; 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; Р ₀ – 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.

За цією математичною моделлю здійснюється оптимізація параметрів нанесення покриттів. Оптимальна дистанція напилення (відстань від зрізу сопла до поверхні виробу) складає 0,100…0,300 м. Дистанція напилення залежить від порошку, режиму напилення, конструктивних особливостей виробу та технічних характеристик установки плазмового напилення й плазмотрона.

Оптимальна дистанція нанесення покриттів фіксується в момент досягнення частинкою порошку температури плавлення за умови проплавлення 0,9 її маси. Це можна пояснити тим, що при нанесенні покриттів основою повної питомої енергії частинок є внутрішня складова.

На основі вище описаної математичної моделі складено програму розрахунку та оптимізації технологічних параметрів напилення покриттів, яка наведена в [5]

Для виконання розрахунків на ПЕОМ (за допомогою програми) необхідні такі початкові дані: вид плазмотвірного газу(у даному випадку це аргон); витрати газу V_г = 0,0006 м³ /с і порошку G_ч = 3,5 кг/год; діаметр частинок порошку d_ч = 40 мкм; питома теплоємність порошку с_ч = 0,874 кДж/(кг·К); температура плавлення порошку Т_пл = 2150 К; початковий тиск газу Р = 4,05·10⁵ Па; теоретична густина матеріалу частинок ρ_ч =627 кг/м³ .