Разработка проекта стандарта организации процесса плазменного нанесения покрытий

 СТО СГАУ 159-2012

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ   ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ  АКАДЕМИКА С.П.КОРОЛЕВА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)» (СГАУ)     Факультет летательных аппаратов Кафедра летательных  аппаратов и  Управления  качеством в машиностроении     ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к дипломному проекту  на тему: «Разработка проекта  стандарта организации  процесса плазменного нанесения покрытий»         Дипломник                                                                                     Ракитина Е.С. Руководитель проекта                                                                     Громова Е.Г. Консультант (консультанты)                                                         Бойкова Л.А.                                                                                                        Герасимов К.Б. Нормоконтроллер                                                                            Громова Е.Г. Рецензент                                                                                           Ивашин А.С               Самара 2012

ЗАДАНИЕ 
СПЕЦИФИКАЦИЯ

 

 
РЕФЕРАТ

Дипломный проект

Пояснительная записка: 89 страниц, 7 рисунков, 7 таблиц, 30 источников, 2 приложения.

 

 

НАПЫЛЕНИЕ ПЛАЗМЕННОЕ, ПОКРЫТИЕ, СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ, ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕГЛАМЕНТ, КАЧЕСТВО, ЗАТРАТЫ, БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

 

 

 

 

Цель дипломного проекта – обеспечение качества и безопасности процесса плазменного напыления.

Объект исследования – технология напыления плазменных покрытий, существующая база стандартов и документация на плазменное напыление.

Область применения – предприятие, осуществляющая процесс напыления плазменных покрытий.

В дипломном проекте проведен анализ существующей базы стандартов.

Разработан проект технического регламента N XXX-ФЗ «Плазменная обработка металлов. Требования безопасности».

Разработан проект стандарта  организации СТО СГАУ 159-2012 «Нанесение плазменных покрытий. Общие требования».

Произведен расчет затрат, необходимых для разработки проекта  технического регламента и стандарта  организации.

Рассмотрена техника безопасности при осуществлении процесса плазменного  напыления и предложены мероприятия  для обеспечения индивидуальной защиты.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Для увеличения надежности изготавливаемых изделий наносят различные виды покрытий. Широкие технологические возможности плазменного напыления обусловили его использование во многих областях производства. Плазменные покрытия применяются для защиты от нагрева, коррозии, эрозионного воздействия высокотемпературных газовых потоков, повышения износо- и жаростойкости. В целом задача создания защитного покрытия для того или иного изделия должна решаться комплексно, в именно, выбором оптимального его состава, оптимизацией технологии нанесения.

Однако, в настоящее  время, развитие плазменного способа нанесения покрытий приостановлено. Повышению качества напыляемого материала, прочности сцепления его с поверхностью  обеспечению безопасности в процессе напыления не уделяется должного внимания. База существующих стандартов стара и требует пересмотра.

Вышеизложенные обстоятельства определяют необходимость определения  путей повышения качества покрытий, а как следствие и качества изготавливаемой продукции.

В рамках данного дипломного проекта проведена работа по совершенствованию  процесса плазменного нанесения покрытий на основе стандартизации и технического регулирования.

 

1 Технологические особенности  процесса плазменного напыления покрытий

1.1 Сущность метода плазменного напыления

Плазменное  напыление предназначено для  нанесения покрытий различного назначения посредством распыления порошковых и проволочных материалов. Обычная толщина покрытий лежит в пределах от 0,5 мм до 2,0 мм со средней разнотолщинностью 20%.

Плазменная  струя широко используется в качестве источника нагрева распыления и ускорения частиц при напылении покрытий. Благодаря высокой скорости истечения и температуре, плазменная струя позволяет напылять практически любые материалы плазменную струю получают различными способами: дуговым прогревом газа, высокочастотным индукционным нагревом, электрическим взрывом,  лазерным нагревом и др.

Обобщенная  схема процесса плазменного напыления покрытий приведена на рисунке 1. При плазменном напылении  возможна как радиальная, так и осевая подача распыляемого материала в виде порошка или проволоки (стержней). Используются различные виды плазменных струй: турбулентные, ламинарные, дозвуковые и сверхзвуковые, закрученные и незакрученные, осесимметричные и плоскосимметричные, непрерывные и импульсные и др.

Процесс плазменного  напыления легко механизируется и автоматизируется. Наряду с ручными  способами применяют механизированные с различной степенью автоматизации. Созданные комплексы позволяют  напылять покрытия при автоматическом поддержании многих параметров процесса. [2]

Рисунок 1 –  Обобщенная схема процесса плазменного  напыления покрытий:

1 – плазмообразующее  сопло; 2 – ядро плазменной струи  (начальный участок l_н);

3 – основной  участок плазменной струи; 4 –  напыленное покрытие;

φ_н – угол расхождения струи

1.2 Плазмообразующие газы

Для плазменного  напыления могут быть использованы многие газы и их смеси. Наиболее общие  требования к плазмообразующим газам  следующие: высокие значения теплообменных  критериев, пассивность к элементам  плазменного распылителя, невысокая стоимость и дефицитность. В ряде случаев плазмообразующий газ должен быть инертным по отношению к распыляемому материалу, иметь высокие значения температуры и энтальпии, обеспечивать максимальные показатели ɳ_т.р, ɳ_и и др.

На практике используют следующие группы плазмообразующих газов:

1) Инертные газы и их смеси (Ar, He, Ar+He);

2) Активные газы и их смеси (N₂,NH₃, воздух и др.);

3) Инертные газы в смеси с активными (Ar+H₂, Ar+H₂ и др.).

Инертные  газы и их смеси. В основном используют аргон, значительно реже гелий. Одноатомные инертные газы обеспечивают высокую температуру

 

 

 

 

Рисунок 2 –  Распределение среднемассовой     температуры t_ср и энтальпии ΔН_ср по оси плазменной струи:

              –для аргона;

- - - - -  –  для азота

 

на срезе сопла плазменного  распылителя при сравнительно невысоких  значениях энтальпии (рисунок 2). Для повышения температуры и энтальпии аргоновых плазменных струй применяют аргоногелиевые смеси с широким диапазоном концентраций. Для плазменного напыления используют стандартный аргон: высшего, первого и второго сорта. Содержание аргона равно соответственно 99,99; 99,98; 99,95 об.%. К примесям относят кислород, азот и влагу. Гелий – газообразный, чистый поставляется по техническим условиям, содержание азота, водорода и влаги в гелии высокой чистоты 0,02 об.%, в техническом гелии – до 0,2 об.%.

Активные газы и их смеси. Наиболее часто применяют азот или азот с добавками водорода, аммиака, горючих газов. Иногда в качестве плазмообразующих газов используют воздух. Активные газы и их смеси отличаются более высокими значениями энтальпии и сравнительно более высокими температурами (см. рисунок 2). При больших добавках водорода к азоту (20 об.% и более) или при использовании аммиака наблюдается интенсивная эрозия сопла. Для получения плазменных струй с высокой тепловой мощностью в качестве добавки особенно целесообразно использовать горючие газы (ацетилен, метан, пропан). Дополнительное тепловыделение обусловлено сгоранием горючих газов за счет кислорода воздуха. Наряду с этим такие добавки позволяют регулировать окислительно-восстановительный потенциал струи по отношению к распыляемому материалу.

Для напыления покрытий применяют  в основном стандартный технический  азот чистотой 98,5 об.%. Примеси в азоте: кислород, влага и др. Стандартный водород выделяется четырех марок: А, Б, В, Г. Наиболее чистый водород марки А, получаемый электролизом воды (98,9 об.%, примеси: кислород, влага и др.).

Инертные  газы в смеси с активными. Для повышения энтальпии аргонных плазменных струй к основному газу часто добавляют азот (10-50 об.%) или водород (5-20 об.%). Целесообразно применять и другие добавки, например аммиак, горючие газы и др. наиболее важные теплофизические свойства газов, применяемых для плазменного напыления, приведены в таблице 1. [1]

Таблица 1 – Физические свойства  плазмообразующих газов

Газ	, кг/м3	Относительная молекулярная масса m	Удельная энтальпия  , Дж/моль	Удельная энтропия , Дж/ (моль К)	Динамическая  вязкость, Па с	Коэффициент теплопроводности , Вт/ (м2 )	Удельная теплоемкость с, Дж/ (моль К)
Ar	1,784	39,948	155,9	3,88	227,1	17,7	0,522
O2	1,429	32,0	272,7	6,417	207 107	26,8	0,92
H2	0,0899	2,0160	8522	180,86	880 108	183	28,85
NH3	0,771	17,0	2309	11,31	1,07 105	24,7	2,158
Воздух	1,2928	29,0	300,3	6,817	184,6 107	26,2	1,007
He	0,1786	4,0026	1568,0	30,313	229,2	151	-
N2	1,25	28,016	311,2	6,884	178 107	24,7	1,041

 

1.3 Параметры распыляемого материала

Для плазменного  напыления применяют порошок  со средним диаметром частиц от 10 до 200 мкм. С увеличением размера  частиц возникают трудности их нагрева до температуры плавления. При этом резко снижается эффективность процесса. Особенно сложно проплавить крупные частицы тугоплавких материалов с низкой плотностью и теплопроводностью, для этого требуются высокие мощности дуги и применение высокоэнтальпийных газов.

К параметрам, характеризующим  ввод порошка в плазменный распылитель, относят массовый расход, составляющий 0,25-2 г/с и скорость частиц в транспортирующем канале. Большое количество порошка, подаваемого в плазменную струю, охлаждают ее, при этом снижаются показатели эффективности процесса. При определенной длине порошкового канала скорость частиц близка к скорости транспортирующего газа и составляет 2-4,5 м/с, эта скорость определяет глубину проникновения частиц в плазменную струю. Для подачи порошка используются газы, аналогичные плазмообразующим, можно также применять и  другие газы с различными физико-химическими свойствами.

Расход газа на подачу порошка составляет около 10% от расхода плазмообразующего  газа. Увеличение расхода транспортирующего газа G_т.г, а следовательно, и его скорости, облегчает и стабилизирует подачу порошка, при этом наблюдается смещение потока напыляемых частиц относительно плазменной струи (рисунок 3, а), падает температура, скорость частиц и коэффициент использования порошка. На степень нагрева порошка в плазменной струе влияет его начальная температура, поэтому в практике напыления иногда используют предварительный подогрев порошка.

Целесообразно использовать отбор транспортирующего  газа на входе в плазменный распылитель, при этом существенно возрастает производительность напыления порошка (рисунок 3, б).

При проволочных (стержневых) способах плазменного  напыления применяют проволоку  диаметром 08-2,5 мм. Увеличение диаметра проволоки приводит к возрастанию среднего размера распыляемых частиц.

Рисунок 3 – Влияние условий подачи порошка (а) и проволоки (б) на эффективность напыления: а – смещение потока частиц при максимальном расходе транспортирующего газа G_т.г.; б – зависимость производительности (массы напыленного материала) G_н.м. от мощности дуги N_д [1 – для металлических порошков; 2 – для оксидов (пунктирные линии – без отбора транспортирующего газа, сплошные – с отбором G_т.г.)]; в – заглубление l_з проволоки в плазменной струе

 

Малые заглубления (l_з<1/2d_с) способствуют образованию крупных, слабо диспергированных капель, с увеличением скорости подачи проволоки величина заглубления возрастает (l_з>1/2d_с) и соответственно, формируется поток более дисперсных частиц. Оптимальные скорости подачи проволоки при плазменном напылении составляют для нейтральной проволоки 10-25, а для проволоки-анода 30-70 м/с. Для увеличения производительности может быть использован непосредственный подогрев проволоки.