Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

Сергєєв Сергій Валерійович

УДК 621.793.7

Розробка технології та обладнання

для нанесення детонаційних покриттів

на деталі авіаційних двигунів

та технологічне оснащення

Спеціальність 05.07.04 –“

Технологія виробництва літальних апаратів”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата

технічних наук

Харків 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті
ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Долматов Анатолій Іванович, завідуючий кафедрою технології виробництва авіаційних двигунів Національного аерокосмічного університету
ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Борисевич Володимир Карпович, директор Міжнародного інституту нових технологій та матеріалів;

кандидат технічних наук, доцент, Горелик Борис Володимирович, доцент Харківського науково-дослідницького інституту технології машинобудування.

Провідна організація: АТ “Мотор-Січ”, Державний комітет промислової політики України, м. Запоріжжя.

Захист відбудеться “9” листопада 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім.. .М. Є. Жуковського “ХАІ”

Автореферат розісланий “9” жовтня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

професор _______________ Г. Л. Корнілов

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В умовах постійної жорсткості умов експлуатації техніки, вимоги, що пропонуються до окремих деталей настільки суперечливі, що часто виявляється практично неможливим створення деталей без застосування спеціальних покрить або їхніх комбінацій. Можливість за допомогою покрить заощаджувати дорогі високолеговані сталі і кольорові метали, здійснювати ремонт, зміцнення і відновлення зношених деталей додають методам нанесення покрить особливу актуальність.

Серед методів нанесення покрить особливе місце займають газотермічні методи. Для них характерна універсальність з погляду застосовуваних для покриття матеріалів – від пластмас до тугоплавкої кераміки. Практично всі газотермічні методи (газопламенний, плазменний, детонаційний і ін.) мають високу продуктивність, для них не є критичними форма і габарити оброблюваних деталей.

Найбільш ефективним і перспективним серед газотермічних методів нанесення покрить є детонаційно-газовий метод. Покриття, що наносяться цим методом, мають найбільшу надійність, міцність зчеплення, пористість таких покрить мінімальна. В даний час детонаційно-газовій метод застосовується для нанесення покрить на найбільш відповідальні деталі, що працюють в особливо жорстких умовах експлуатації, що характерно для авіадвигунобудування.

Незважаючи на те, що в даний час зроблено досить багато для розвитку технології детонаційного нанесення покрить, її можливості далеко не вичерпані. Поясненням цьому є недостатність знань про механізм формування детонаційних покрить. Процеси, що протікають при формуванні покриття, визначають, в остаточному підсумку, як фізико-механічні, так і експлуатаційні властивості покрить. Тому поліпшення експлуатаційних властивостей покрить може бути досягнуто тільки за рахунок застосування оптимального сполучення факторів, що впливають на процес формування. Знання механізму формування покрить дасть можливість апріорно прогнозувати властивості покрить і дозволить вирішити задачу оптимізації параметрів детонаційно-газового напилювання. У свою чергу, вирішення задачі оптимізації відкриває можливість розвитку технології нанесення детонаційних покрить в декількох напрямках.

Перший напрямок, цілеспрямований розвиток якого можливий при детальному вивченні механізму формування покрить - це створення устаткування, що забезпечує економію дорогих енергоресурсів, здатного використовувати як енергоносії недорогі і недефіцитні гази без погіршення якості і експлуатаційних властивостей покрить. Розвиток детонаційного устаткування цим шляхом дозволить підвищити економічну ефективність методу, знизити його собівартість і тим самим створити об'єктивні умови для більш широкого використання даної технології і її впровадження в інші галузі машинобудування.

Другий, не менш важливий напрямок, що відкриває широкі можливості перед детонаційним напилюванням - створення високопродуктивного устаткування, що дозволяє вирішити кілька задач: скорочення часу напилювання, підвищення ККД процесу і фізико-механічних властивостей покрить.

Третій напрямок - поліпшення властивостей покрить із застосуванням існуючого устаткування за рахунок застосування найбільш оптимальних режимів.

Зв’язок роботи з науковими програмами і темами. Робота виконана згідно з програмою Міністерства науки та освіти України “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” у рамках плану НД і ДКР Національного аерокосмічного університеті “ХАІ”, а також є складовою частиною спільних НД і ДКР Національного аерокосмічного університеті “ХАІ” і ВАТ “Мотор-Січ”, спрямованих на вирішення проблеми підвищення ресурсу деталей авіадвигунів та технологічного оснащення, а також ремонту виробів детонаційним методом.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є дослідження, розробка і впровадження технології нанесення детонаційно-газових захисних покрить на деталі авіаційних двигунів з використанням високопродуктивного устаткування із зниженим ресурсоспоживанням.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- аналіз механізму формування детонаційних покрить з кераміки і тугоплавких матеріалів і виявлення впливу технологічних параметрів процесу на експлуатаційні властивості покрить;

- створення математичної моделі процесу формування детонаційних покрить із наперед заданими властивостями;

- експериментальні дослідження фізико-механічних властивостей покрить, отриманих на устаткуванні з підвищеною продуктивністю;

- розробка методів підвищення продуктивності i економічної ефективності детонаційного устаткування;

- розробка технологічних рекомендацій з вибору режимів нанесення захисних покрить з кераміки і тугоплавких матеріалів на високопродуктивному детонаційному устаткуванні.

Предмет дослідження - процес формування детонаційно-газових покрить з кераміки і тугоплавких матеріалів на деталях при використанні устаткування з підвищеними характеристиками скорострільності, що використовує як енергоносії економічно виправдані компоненти.

Методи дослідження. Відповідно до мети досліджень і поставленими для досягнення зазначеної мети задачами у роботі використані такі методи досліджень.

Шляхом критичного аналізу виявлені основні параметри технологічного процесу нанесення покрить детонаційним методом, що визначають фізико-механічні властивості покрить.

Для моделювання процесу механічної активації підкладки в результаті впливу часток програмно реалізована математична модель, у якій використані чисельні методи рішення систем алгебраїчних рівнянь, метод Ньютона і метод ітерацій.

При розрахунках температурних полів у покритті і підкладці використаний метод чисельного моделювання нестаціонарного теплообміну з рухливими границями з застосуванням методу кінцевих елементів.

Експериментальні дослідження проводилися методом пасивного експерименту і були розділені на два незалежних етапи: дослідження діапазону робочих режимів установки і дослідження фізико-механічних властивостей покрить. Перший етап експерименту полягав у визначенні залежностей енергетичних параметрів процесу (температури і швидкості часток у момент зіткнення з підкладкою) від технологічних режимів (складу суміші, ступеня заповнення стовбура) для декількох досліджуваних матеріалів. Другий етап експерименту мав своєю метою виявити залежності міцності зчеплення, пористості й ефективності гарячого ударного пресування покриття від енергетичних параметрів процесу і скорострільності установки. На кожнім етапі використовувався метод регресивного аналізу з метою виявлення ступеня впливу кожного незалежного фактора на результат експерименту.

В експериментальній частині роботи використані методи вимірів енергетичних параметрів процесу нанесення покрить із застосуванням спеціально розроблених приладів для контролю швидкості і температури часток у момент зіткнення з підкладкою.

Наукова новина. Вперше розроблена математична модель технологічного процесу нанесення покрить детонаційним способом, яка враховує внесок кінетичної енергії часток в активацію зв'язків між покриттям і підкладкою. Розроблено модель механічної активації підкладки частками, що деформуються, і впливу механічної активації на контактну температуру. Введено два характеристичних критерії, які визначають умови формування детонаційного покриття, міцність зчеплення покриття з підкладкою та умови рівної міцності зчеплення покриття з підкладкою при різноманітних технологічних режимах. Уточнено математичну модель, що описує нестаціонарний процес розповсюдження тепла в покритті і приповерхневому шарі підкладки з рухливими границями. Для реалізації моделі застосований метод кінцевих елементів. При побудові математичної моделі введений у розгляд новий технологічний параметр - скорострільність установки. Вперше виявлено зв'язок між скорострільністю детонаційної установки та ефективністю ударного пресування покриття в процесі напилювання. Отримано експериментальні залежності пористості і міцності зчеплення покрить від розміру, температури, швидкості часток і скорострільності установки.

Практичне значення отриманих результатів. У результаті комплексних теоретичних і експериментальних досліджень розроблене високоефективне технологічне устаткування для детонаційного нанесення покрить, що дозволяє одержувати покриття зі стабільними заданими властивостями поверхневого шару при оптимальних режимах обробки

Розроблена промислова детонаційна установка з автоматичною системою керування від ЕОМ дозволяє досягати скорострільності 50-60 Гц, що забезпечує продуктивність у 4-5 разів вище в порівнянні з кращими сучасними промисловими зразками. Як пальну суміш для розробленої установки застосовується суміш пропан-бутану з киснем, що в середньому в 4.7 рази дешевше ацетилено-кисневої суміші.

Розроблена методика визначення оптимальних режимів нанесення покрить дозволяє скоротити тривалість періоду проектування операцій нанесення покрить, а також дозволяє отримувати покриття з наперед заданими властивостями.

Усі розроблені математичні моделі програмно реалізовані у виді єдиної підсистеми САПР технологічних процесів нанесення газотермічних покрить і можуть бути використані як для розробки нового обладнання, так і для оптимізації технологічних режимів нанесення покрить на існуючому устаткуванні.

При спільних роботах з АТ "Мотор-Січ", м Запорожжя, по впровадженню у виробництво високочастотної установки для нанесення покрить використані дослідження, проведені автором по створенню конструктивної схеми установки і вибору технологічних режимів, представлені в даній роботі. На підставі даних досліджень також були проведені роботи з модифікації існуючих детонаційних установок, що входять до складу комплексу УДК-II з метою їхнього перекладу на пропан-бутанову пальну суміш.

Особистий внесок здобувача. У процесі виконання роботи здобувачем особисто розроблено математичні моделі механічної активації підкладки часткою, що деформується, і процесу нестаціонарного теплообміну в приповерхневій зоні підкладки з рухливими границями, реалізовані у виді прикладного програмного забезпечення Здобувач брав безпосередню участь у проектуванні представленої в роботі детонаційної установки і її систем, а також у постановці експерименту, розробці вимірювальної апаратури, проведенні експериментальних досліджень і обробці їх результатів.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на Міжнародній науково-технічній конференції "Інженерія поверхні і реновація виробів" (29-31 травня 2001р, м. Феодосія), на П'ятій Міжнародній конференції "Нові передові технології в машинобудуванні" (Рибаче, 18-21 вересня 1996 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні матеріали, технології, обладнання та інструмент в машино- та приладобудуванні" (Київ, 21-22 серпня 2001 р.), на Десятій Міжнародній конференції "Нові передові технології в машинобудуванні" (Рибаче, 3-5 вересня 2001 р.).

Публікації. Основні матеріали роботи опубліковано в 7 наукових статтях.

Структура дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, додатків і списку використаних джерел. Викладена на 214 сторінках, містить 12 таблиць, 97 рисунків і список використаних джерел на 81 найменування.

Зміст роботи

У першому розділі виконано огляд існуючих газотермічних методів нанесення покрить у машинобудуванні, зроблена класифікація газотермічних методів за енергетичними ознаками (рис.1). Розглянуті можливості існуючих методів, а також властивості покрить, які можуть бути нанесені цими методами.

Згідно з тематикою і напрямком роботи особливо детально було розглянуто обладнання для нанесення покрить детонаційно-газовим методом. Зроблено огляд існуючого промислового обладнання, яке застосовується як для саме нанесення покрить, так і для підготовки поверхонь деталей до нанесення покрить. У розділі зроблено аналіз сучасного стану детонаційного обладнання, визначені основні недоліки методу та напрямки його розвитку. Систематизовані відомості про технічні характеристики та ресурсоспоживання детонаційних установок, які на сьогодні використовуються у промисловості.

У другому розділі проведені теоретичні дослідження щодо механізму формування покриття детонаційно-газовим методом. Обґрунтовано необхідність аналізу властивостей детонаційних покрить не від технологічних режимів, а від енергетичних параметрів процесу: швидкості та температури частинок порошкового матеріалу. Згідно з наведеними гіпотезами введено у розгляд новий параметр процесу: скорострільність установки.

Розроблена математична модель процесу формування детонаційних покрить з кераміки та тугоплавких матеріалів, основне практичне призначення якої – отримання покрить з наперед заданими властивостями. Модель складається з трьох основних частин, на основі яких розроблено програмне забезпечення для оптимізації режимів нанесення покрить на детонаційному обладнанні будь-якої конструкції завдяки абстрагуванню моделі від технологічних режимів процесу.

Перша частина математичної моделі дозволяє аналізувати процес зіткнення частинки порошку з поверхнею деталі. На цьому етапі враховується, що поверхня деталі та частинка деформуються при зіткненні, в результаті чого змінюється площа контакту частинки з підкладкою, а також, враховуючи, що деформація здійснюється по дислокаційному механізму, змінюється щільність активних центрів на поверхні підкладки. У зв’язку з тим, що міцність покриття визначається кількістю хімічних зв’язків між частинкою та підкладкою, щільність активних центрів на підкладці буде визначати міцність зчеплення покриття з підкладкою. Процес деформації у системі “частинка-підкладка” моделюється системою рівнянь, які описують геометричні та енергетичні взаємозв’язки цього процесу. Модель застосовує як вхідні параметри фізико-механічні залежні від температури властивості матеріалів покриття та підкладки, розмір частинок порошку, та енергетичні параметри процесу: швидкість та температуру частинок. Процес моделювання дозволяє розрахувати найголовніші експлуатаційні характеристики покриття: міцність зчеплення та пористість покриття.

Визначено та обґрунтовано характеристичний критерій процесу механічної активації зв’язків між частинкою та підкладкою, який визначає міцність покриття у безрозмірному виді:

, (1)

де - відносна площа контакту частинки та підкладки; - площа контакту частинки та підкладки; D – діаметр миделевого перетину частинки; - міра деформації частинки (відношення товщини частинки після деформації до її початкового діаметру); - відносне заглиблення частинки (відношення заглиблення частинки до її початкового діаметру); b, t, Vd – вектор Бюргерса, час зіткнення та швидкість дислокації; N, N0 – щільність дислокацій на поверхні підкладки після та до зіткнення відповідно.

Параметр N0 відображає метод підготовки поверхні до нанесення покриття, а N – кількість зв’язків, яка доводиться на кожну частинку покриття. На рис. 2 приведені характерні залежності щільності дислокацій на поверхні підкладки від температури та швидкості частинок.

Друга частина моделі дозволяє розрахувати температуру у контакті частинки з підкладкою з врахуванням поверхневої енергії та енергії дислокацій. Закон Фур’є не дає достовірного результату для малих часів тривалості процесу, тому розрахунок контактної температури виконується з врахуванням кінцевої швидкості розповсюдження тепла. При розрахунку контактної температури враховується вплив механічної активації підкладки, оскільки кожна дислокація являє миттєве джерело тепла, якому відповідає певний температурний спалах.

Розраховані контактні температури перевищують температуру плавлення матеріалу частинок та підкладки. Таким чином, приведені розрахунки пояснюють механізм зчеплення матеріалів у твердому стані при високих швидкостях зіткнення – тонкий шар обох матеріалів деякий час знаходиться у рідкому стані. Інакше кажучи, при нанесенні покрить з кераміки та тугоплавких матеріалів має місце процес, відомий як адіабатичний зсув.

Контактна температура визначає кількість наявної енергії, яка може бути витрачена на здійснення хімічної реакції між атомом частинки та активним центром на підкладці. Наявна енергія виражається як

, (2)

де ; Tk – температура контакту; Tm – температура плавлення підкладки; - тепломісткість, яка доводиться на один атом підкладки.

Порівняння значення наявної та потрібної енергії дає можливість зробити висновки про можливість отримання міцного покриття, а також визначити потрібне значення контактної температури. Для цього використовується критерій N. Цей критерій однозначно визначає достатність енергетичних умов для формування зчеплення покриття шляхом створення спільних з підкладкою хімічних зв’язків. Залежність температури контакту від швидкості, температури та розміру частинок приведена на рис. 3.

Третя частина математичної моделі дає можливість аналізувати вплив скорострільності детонаційної установки на процес розповсюдження тепла в покритті та приповерхневій зоні підкладки. В основу моделі покладено метод кінцевих елементів. Модель дозволяє проводити розрахунки нестаціонарного теплообміну з рухомими границями для деталей будь-якої форми, тобто найбільш повно відображає особливості детонаційного нанесення покриття: імпульсний процес формування покриття з одиничних плям із частотою, рівною скорострільності детонаційної установки. Граничні умови для цієї моделі показані на рис. 4.

Моделювання теплообміну за наданою схемою дозволяє зробити найважливіший висновок: підвищення частоти вибухів детонаційної установки до 50Гц приводить до локалізації тепла у приповерхневому шарі підкладки, а при низьких (5...7 Гц) частотах триває розповсюдження тепла усередину деталі та зниження температури поверхні. Цей висновок визначає напрямки підвищення властивостей детонаційних покрить, а саме, тенденцію підвищення контактної температури за рахунок температури поверхні підкладки або попередніх плям покриття. З’являється можливість знизити температуру частинок порошку без зниження контактної температури та одночасно досягти більш інтенсивної механічної активації підкладки, тому що твердість холодної частинки значно більша. Крім того, локалізація тепла у приповерхневому шарі приводить до інтенсифікації процесу гарячого ударного пресування: підвищенню щільності покрить за рахунок впливу наступних плям покриття.

Таким чином, знайдена можливість підвищити експлуатаційні властивості покрить за рахунок підвищення скорострільності детонаційного обладнання, одночасно використовуючи менш коштовні енергоносії, зокрема, пропан-бутанові суміші з киснем замість ацетилено-кисневих сумішей, які не придатні до використання при високих частотах вибухів.

У третьому розділі виконані експериментальні дослідження процесу детонаційного нанесення покрить, спрямовані на вирішення трьох головних задач:

· вдосконалення методики пошуку зв’язків між технологічними режимами процесу та його енергетичними параметрами: швидкістю та температурою частинок;

· експериментальне підтвердження теоретичних припущень та адекватності математичної моделі процесу детонаційного нанесення покрить;

· аналіз впливу скорострільності на характеристики покрить, зокрема, пористості покриття та її розподілення по товщині покриття при різних величинах скорострільності.

Пошук зв’язку між технологічними режимами та енергетичними параметрами процесу детонаційного нанесення покрить має істотне практичне значення. Задача ускладнюється тим, що детонаційне нанесення покрить характеризується швидкостями до 2000 м/с та більше, а також часом впливу біля 10-4 с. Для вирішення цієї задачі була виконана серія експериментів, які дозволили сформувати так звані експлуатаційні характеристики детонаційної установки, на підставі яких можна швидко відшукати та призначити сукупність технологічних параметрів, що забезпечать потрібні енергетичні параметри процесу, а значить, і задані властивості покриття. У подальших експериментах такий підхід дозволив зв’язати характеристики покрить безпосередньо з енергетичними параметрами процесу: температурою та швидкістю частинок у час зіткнення з підкладкою.

Для виміру енергетичних параметрів було розроблено обладнання, здатне контролювати швидкість частинок. Цей прилад працює на принципі “балістичного маятника”: контролюється ухилення пружного елементу після обміну імпульсом з струменем частинок. Температура частинок контролювалась за допомогою пірометра повного випромінювання.

Другий етап експерименту мав своєю ціллю визначення зв’язку між міцністю зчеплення покриття, розміром, швидкістю та температурою частинок. Характер цього зв’язку відповідає характеру кривих, зображених на рис. 2, тобто підтверджує адекватність моделі механічної активації підкладки деформуючимися частинками. Спостерігається тенденція зростання міцності зчеплення при зростанні швидкості частинок та скорострільності детонаційної установки. Подальше підвищення цих параметрів повинно призвести до подальшого зростання міцності покрить. Експерименти підтверджують першорядне значення обох цих параметрів при детонаційному нанесенні покриття. Температура частинок має менший вплив на міцність зчеплення при умові досить високої швидкості частинок та призводить до незначних змін міцності покриття.

Третій етап експерименту дозволив виявити вплив енергетичних параметрів та скорострільності установки на пористість покриття, а також визначити розподіл пористості по глибині покриття. Виявлено зниження пористості покриття при зростанні швидкості частинок, їх температури, а також скорострільності установки. Явно спостерігається залежність пористості від скорострільності, зв’язана з існуванням ефекту гарячого ударного пресування. У зв’язку з цим введено поняття міра взаємного впливу плям покриття, яка відображає ефективність пресування покриття. Так, при частоті 5 Гц пористість зменшується за рахунок впливу двох подальших плям, а при частоті 20 Гц на пористість плями впливають вже 4 подальших плями. Тому при зростанні скорострільності пористість покриття значно зменшується.

У четвертому розділі приводиться досвід практичного застосування технології детонаційного нанесення покрить з наперед заданими властивостями на високопродуктивному обладнанні, в якому використовуються економічно виправдані енергоносії, на деталі авіаційних та автомобільних двигунів. Надані рекомендації щодо вибору технологічних режимів та результати проведених ресурсних випробувань деталей з покриттями із кераміки, тугоплавких та композиційних матеріалів.

На основі розробленої математичної моделі процесу розраховані та експериментально підтверджені рекомендовані технологічні режими нанесення керамічних (оксидних та карбідних) покрить, а також їх композицій на такі матеріали, як титановий сплав ВТ3-1, жароміцний сплав ЭИ437Б, сталь 45, а також деталі з чавуна.

Далі розкриті конструктивні особливості високоскорострільного детонаційного обладнання, яке працює на пропан-бутан-кисневої суміші. Приведені схеми дозатора вихрового типу, який призначений для постачання дрібного (2...60 мкм) керамічного порошку при високій частоті вибухів, а також вузла газорозподілення скорострільної установки. Крім того, описано досвід підвищення експлуатаційних характеристик існуючого обладнання та властивостей покрить, які отримані на цьому обладнанні.

Проведено порівняльний економічний аналіз процесу нанесення покриття із застосуванням традиційних енергоносіїв та пропан-бутан-кисневих сумішей на високопродуктивному обладнанні. Собівартість процесу детонаційного нанесення покрить в результаті переходу на пропан-бутан-кисневу суміш знизилася в 1.87...2.7 рази в порівнянні з базовим технологічним процесом. При цьому продуктивність методу зросла в 3 рази на модифікованому існуючому обладнанні, і в 7...8 разів на обладнанні нового типу. Одночасно зі збільшенням продуктивності процесу збільшилися характеристики міцності покрить, що наносяться. Збільшення міцності за рахунок скорострільності складає 30...100%.

Висновки

1. В результаті теоретичних і експериментальних досліджень розроблено технологічний процес нанесення детонаційних покрить з керамічних матеріалів (Al2O3, ZrO2, ВК-15) і тугоплавких сплавів (Х20Н80) із наперед заданими властивостями на деталі авіаційних двигунів на устаткуванні з підвищеною продуктивністю з використанням економічно виправданих енергоносіїв, який засновано на базі нової методики вибору технологічних параметрів процесу.

2. Розроблено математичну модель детонаційно-газового нанесення покрить з матеріалів, що знаходяться у твердому стані, яка враховує внесок кінетичної енергії часток у процес формування зв'язків між покриттям і підкладкою. Введено методику розрахунку контактної температури з урахуванням поверхневої енергії й енергії дислокацій. Визначено основні енергетичні параметри процесу нанесення покриття (температура, швидкість часток під час зіткнення з підкладкою, частота імпульсів, щільність активних центрів на поверхні підкладки).

3. В результаті теоретичних досліджень виявлені й обґрунтовані критерії механічної і теплової активації процесу зчеплення покриття з підкладкою за рахунок хімічної взаємодії. Критерії використовуються для оптимізації режимів нанесення покрить із наперед заданими властивостями. Перший критерій характеризує міцність зчеплення покриття з підкладкою; другий – наявність умов для формування міцних хімічних зв’язків між покриттям та підкладкою. За їх допомогою сформульовано умови рівноміцності покриття, отриманого на різних технологічних режимах і устаткуванні.

4. Розроблено модель процесу теплообміну в покритті і поверхневій зоні підкладки. На підставі даної моделі виявлений вплив скорострільності устаткування на теплові умови формування покриття і його експлуатаційних властивостей – міцність і пористість. Виявлено зв'язок між скорострільністю установки і процесом гарячого ударного пресування покриття. Крім того, теплові умови формування покриття мають безпосередній зв’язок із залишковими напругами термічного походження.

5. Запропоновано методику вибору технологічних режимів нанесення покрить по енергетичних параметрах процесу. У результаті експериментальних досліджень знайшли підтвердження теоретичні гіпотези й адекватність моделі процесу формування покрить. Виявлено вплив енергетичних параметрів: швидкості, температури часток і скорострільності устаткування на міцність, пористість і інтенсивність ущільнення покрить.

6. Дано практичні рекомендації з вибору матеріалів для нанесення покрить з метою зміцнення і реновації виробів з титанових та хромонікелевих сплавів, а також сталей та чавунів. Приведено оптимальні технологічні режими нанесення покрить, розраховані при використанні математичної моделі процесу. Наприклад, при нанесенні Al2O3, на ЭИ437Б запропоновано частоту вибухів 20...25 Гц, а при нанесенні на титан ВТ3-1 – 10 Гц при температурах часток 1700 К та швидкості 1750 м/с. Для матеріалу ВК-15, який наноситься на ВТ3-1 частота складає 12 Гц, швидкість та температура часток 650 м/с та 1900 К відповідно.

7. Розроблено обладнання для нанесення детонаційних покрить з підвищеною скорострільністю, призначене для роботи на економічно виправданих енергоносіях. Скорострільність детонаційного обладнання при роботі на пропан-бутанової суміші доведено з 10...12 до 40...50 Гц. Надано рекомендації з підвищення продуктивності існуючого детонаційного устаткування і його перекладу на більш дешеві енергоносії.

8. Виконано техніко-економічне обґрунтування технологічного процесу нанесення детонаційних покрить із наперед заданими властивостями на устаткуванні з підвищеною продуктивністю. Собівартість процесу детонаційного нанесення покрить у результаті переходу на пропан-бутан-кисневу суміш знизилася в 1.87...2.7 рази, а собівартість енергоносіїв знижено в 4.2...4.7 рази у порівнянні з ацетилено-кисневою сумішшю. Разом з цим міцність покрить у різних випадках підвищилася на 30...100%

.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Долматов А. И., Горбачев А. Ф., Жеманюк П. Д., Добышев В. М., Сергеев С.В. Исследование прочности сцепления детонационных покрытий методом планирования эксперимента. //Авиационно-космическая техника и технология. Харьков, 1996. с. 116-120.

2. Долматов А. И., Горбачев А. Ф., Жеманюк П. Д., Добышев В. М., Сергеев С.В. Расчет процесса формирования детонационных покрытий по толщине. //Авиационно-космическая техника и технология. Харьков, 1996. с. 121-126.

3. Долматов А. И., Сергеев С.В., Зорик И. В., Добышев В. М. Особенности высокоскоростного нанесения покрытий детонационно-газовым методом. //Авиационно-космическая техника и технология. Харьков, 1997. с. 169-175.

4. Долматов А. И., Михайлуца В. Г.,Сергеев С.В., Зорик И. В. Теоретическое исследование параметров процесса детонационного нанесения покрытий. Харьков, 1998. с. 135-149.

5. Долматов А. И., Сергеев С.В., Зорик И. В. Восстановление изношенных деталей ГТД методом детонационного нанесения покрытий. //Proc. fifth International conference “New Leading-Edge Technologies in Machine Building”.- Kharkov-Rybachie, 1996. с. 51-52.

6. Долматов А. И., Сергеев С.В., Методика измерения скорости частиц при детонационно-газовом нанесении покрытий. //Труды Междунар. научно-техн. конф. ”Инженерия поверхности и реновация изделий”. – Феодосия, 2001. с. 64-66.

7. Долматов А. И., Сергеев С. В., Опыт повышения производительности детонационно-газового метода нанесения покрытий. //Труды Междунар. научно-техн. конф. ”Современные материалы, технологии, оборудование и инструмент в машино- и приборостроении”. – Киев, 2001. с. 11-12.

Анотація

Сергєєв С. В. Розробка технології та обладнання для нанесення детонаційних покриттів на деталі авіаційних двигунів та технологічне оснащення. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.07.04 –технологія виробництва літальних апаратів. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, Міністерство освіти і науки України, Харків, 2001.

Дисертацію присвячено розробці методики формування детонаційних покрить з наперед заданими властивостями на обладнанні с підвищеною продуктивністю, яке використовує економічно виправдані енергоносії.

Методика формування покрить з наперед заданими властивостями базується на поданій у дисертації математичної моделі процесу, яка враховує фізико-механічні властивості матеріалів покриття та підкладки, енергетичні параметри процесу нанесення покриття та скорострільність детонаційної установки. На базі цієї методики за допомогою запропонованих критеріїв розраховуються оптимальні параметри нанесення покриття з потрібними характеристиками міцності, пористості, товщини та ін. Надані практичні рекомендації щодо вибору матеріалів покрить та режимів їх нанесення на деталі авіадвигунів та технологічне оснащення. Приведений досвід розробки та використання обладнання з підвищеною скорострільністю. Основні результати роботи знайшли застосування при зміцненні та реновації деталей турбін авіадвигунів у ВАТ “Мотор-Січ”, м. Запоріжжя, Україна.

Ключові слова: покриття, детонація, міцність, пористість, зносостійкість, поверхневий шар, скорострільність, ресурс, реновація.

Аннотация

Сергеев С. В. Разработка технологии и оборудования для нанесения детонационных покрытий на детали авиационных двигателей и технологическую оснастку. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.04 – технология производства летательных аппаратов. - Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского “ХАИ”, Министерство образования и науки Украины, Харьков, 2001.

Диссертация посвящена разработке методики формирования покрытий с заранее заданными свойствами на оборудовании с повышенной производительностью, которое использует экономически оправданные компоненты в качестве энергоносителей.

Методика формирования покрытий с заранее заданными свойствами базируется на приведенной в диссертации математической модели процесса нанесения покрытий, которая учитывает физико-механические свойства материалов покрытия и подложки, энергетические параметры процесса (скорость и температуру частиц в момент соударения с подложкой), а также скорострельность детонационной установки. Математическая модель предназначена для расчета геометрических и энергетических параметров ударного взаимодействия, определяющих основные характеристики покрытия из керамики и тугоплавких материалов, а также их композиций.

На базе этой методики, при помощи предложенных в диссертации характеристических критериев процесса, определяющих прочность покрытия и условия для образования прочной связи между покрытием и подложкой, рассчитываются оптимальные параметры нанесения покрытий с требуемыми характеристиками прочности сцепления, пористости, волнистости и толщины слоя покрытия. Один из предложенных критериев характеризует степень механической активации подложки потоком частиц порошка и выступает аналогом прочности сцепления между частицей и подложкой. Второй критерий характеризует степень тепловой активации подложки су учетом конечной скорости распространения тепла, энергии поверхностных дефектов и поверхностной энергии и характеризует условия создания прочной связи между частицей и подложкой.

Экспериментальная часть работы посвящена исследованию пористости и прочности сцепления покрытий с подложками из материалов, широко применяющихся в авиадвигателестроении. Введен в рассмотрение технологический параметр скорострельности детонационной установки, определяющий интенсивность процесса горячего ударного прессования покрытия при напылении.

В экспериментальной части работы рассмотрена и обоснована методика создания семейства эксплуатационных характеристик детонационной установки, на основании которой возможно назначать технологические режимы, соответствующие оптимальным энергетическим параметрам процесса нанесения покрытий, которые определяются при помощи представленной математической модели формирования покрытия. Такой подход дает возможность назначать оптимальные режимы нанесения покрытий для детонационных установок различного типа.

В диссертации приводятся практические рекомендации, касающиеся выбора материалов для нанесения покрытия, режимов нанесения покрытий на детали авиационных двигателей, автомобильных двигателей, а также технологическую оснастку в целях ремонта (восстановления геометрических размеров и эксплуатационных свойств поверхностного слоя) и упрочнения поверхностей деталей в процессе производства.

Приводится опыт разработки и эксплуатации детонационного оборудования с повышенной производительностью (скорострельностью). Даны практические рекомендации по повышению производительности существующего детонационного оборудования, переводу его на более дешевые энергоносители, а также рассмотрен способ решения проблемы равномерной и надежной подачи порошка в ствол детонационной установки при больших частотах выстрелов, а также в случае использования порошков мелких фракций.

Основные результаты работы нашли применение при упрочнении и восстановлении деталей турбин авиационных газотурбинных двигателей, выпускаемых АО “Мотор-Січ”, г. Запорожье, Украина. Кроме этого, приведенные в диссертации рекомендации были использованы при модификации существующего на данном предприятии детонационного оборудования см целью перехода на пропан-бутановую детонационную смесь и повышению скорострельности детонационных установок.

Ключевые слова: покрытие, детонация, прочность, пористость, износостойкость, поверхностный слой, скорострельность, ресурс, реновация, ремонт.

Summary

Sergeyev S. V. Development of manufacturing method and equipment for gas-detonation coating on the aircraft engine parts and production auxiliaries. – Typescript.

Thesis to competition of an academic degree of the candidate of engineering science of 05.07.04 specially – aircraft production engineering. National Aerospace University (“KhAI”) Named by N. Zhukovsky, Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2001.

The aim of the thesis is to develop principles for creation of gas-detonation coating with preset properties on the equipment with extended performance, which use economical defensible energy carriers.

The principles for creation of gas-detonation coating with preset properties is based on mathematical model of process, which taking into consideration physical and mechanical properties of coated material and substrate as well as energetic parameters of process and pulse frequency of detonation gun. Optimum parameters of coating with preset properties such as strength, porosity, thickness, undulation and other calculated on basis of proposed principal and process’s criterions. This dissertation is containing the practical advices by choice of materials coatings and modes of processing of aircraft engines parts and processing equipment using this method. The experience of development and operation equipment with high pulse frequency was set forth in this thesis. The basic results were use for strengthening and renovation of aircraft engines turbine parts at JSC “Motor-Sich”, Zaporozhye, Ukraine.

Keywords: coating, detonation, strength, porosity, wear-resistance, blanket, pulse frequency, service life, renovation.