Исследование процессов электро-химической, вакуумно-плазменной и электронно-лучевой обработки материалов

Рисунок 3.1 – Схемы плазменной наплавки:

а) плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой; б) плазменной дугой с нейтральной присадочной проволокой; в) комбинированный (двойной) дугой одной проволокой; г) то же, с двумя проволоками; д) горячими проволоками; е) плавящимся электродом; ж) с внутренней подачей порошка в дугу; з) с внешней подачей порошка в дугу; 1 - защитное сопло; 2 - сопло плазмотрона; 3 - защитный газ; 4 - плазмообразующий газ; 5 - электрод; 6 - присадочная проволока; 7- изделие; 8 - источник питания косвенной дуги; 9 - источник питания дуги прямого действия; 10 - трансформатор; 11 - источник питания дуги плавящегося электрода; 12 - порошок; 13 - порошок твердого сплава.

 

тельно длительное пребывание при высоких температурах); установление необходимости последующей термической (общей или местной) обработки (для получения необходимых эксплуатационных характеристик или возможности промежуточной механической обработки).

При возможности получения желаемых результатов путем использования нескольких способов наплавки (если необходимо и последующей механической обработки) важны и технико-экономические показатели сопоставляемых способов [10].

3.1.3. Плазменно-дуговое напыление

 

Плазменно-дуговое напыление применяется для напыления покрытий из порошков металлов, оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других тугоплавких соединений, из композиционных порошков и механических смесей различных порошков, проволок.

К достоинствам плазменно-дугового способа напыления покрытий относятся:

• возможность получения покрытий из большинства материалов, плавящихся без разложения;
• относительно малое тепловое воздействие на подложку (обычно нагрев последней в пределах 50—150 °С), что позволяет наносить покрытия на поверхность широкого круга материалов, включая пластмассы, дерево, картон и т. п.;
• толщина покрытия может меняться в пределах от 15 мкм до 6 мм и более со средней разнотолщинностью ± 10 %;
• возможность использования для образования струи дуговой плазмы газов различного рода: инертных (аргона, гелия), восстановительных (водорода) и окислительных (воздуха, азота), а также аммиака, природного газа, водяного пара и других газообразных веществ, что в сочетании с применением камер с защитной средой (вакуумом) или защитных насадок позволяет регулировать свойства среды, в которой нагреваются и движутся частицы напыляемого материала;
• возможность гибкого регулирования электрического и газового режимов работы плазменной горелки, в том числе в течение самого процесса напыления, позволяет управлять энергетическими характеристиками напыляемых частиц;
• достаточно высокая производительность процесса, составляющая 3—11 кг/ч для горелок с электрической мощностью 25—40 кВт и 11—25 кг/ч для горелок мощностью 80—120 кВт;

Недостатками плазменно-дугового способа напыления покрытий являются:

• недостаточный в некоторых случаях уровень значений прочности сцепления покрытий с подложкой (обычно 15— 50 МПа при испытаниях на нормальный отрыв);
• невысокий коэффициент полезного использования энергии плазменной струи при нагреве порошка (2—8%). [12]

 

3.2. Расчет параметров обработки

 

Уравнение квазистационарного состояния процесса распространения теплоты точечного источника постоянной мощности q, движущегося с постоянной скоростью V по поверхности полубесконечного тела, имеет следующий вид [11, с. 81-82]

 

где x – абсцисса точки A в подвижной системе координат;

Рисунок 3.2 – Схема модели движущегося точечного источника тепла по поверхности полупространства

 

a = λт/(cγ) – коэффициент температуропроводности;

R – постоянный радиус-вектор в подвижной системе координат, т. е. расстояние рассматриваемой точки A от начала координат 0 подвижной системы координат;

q – тепловая мощность.

 

где I, U – соответственно ток и напряжение, при которых происходит обработка;

η – КПД процесса наплавки.

 

где η1 – КПД плазматрона;

η2 – КПД, связанный с передачей энергии от струи на подложку.

Примем η = 50 %.

Определим распространение тепла в зоне соизмеримой с размерами наплавляемого валика

 

 

t – время экспозиции, или нахождения тепла под зоной обработки;

 

где d(в) – диаметр валика;

V – скорость перемещения плазматрона.

 

Vт ↔ V, т. е. скорость распространения тепла примерно соответствует скорости передвижения плазматрона (табл. 3.1). Поэтому для решения данной тепловой задачи используется модель движущегося источника тепла по поверхности полупространства.

3.3. Построение зависимости температурных полей предельного состояния при изменении технологических параметров обработки

 

С помощью программного пакета MathCad были получены кривые термического цикла, представленные на рис. 3.2 – 3.8.

1) V1 = 6 м/с = 0,166 см/с – скорость перемещения плазматрона;

q1 = ηI1U1 = 0,5·180·150 = 13500 Вт 3230 кал/с – тепловая мощность.

В MathCad задаем соответствующие параметры, при которых происходит обработка, и формулу:

 

Далее по полученным кривым находим Tm, tm, wохл, tр.з..

Tm – это есть максимальная температура, соответствующая экстремуму каждой кривой, находим по графику.

Рисунок 3.2 – Кривые термического цикла при q1 и V1

Для нахождения tm воспользуемся формулой

 

где tm – время достижения максимальной температуры;

 – координата максимальной  температуры (находим по графику);

V – скорость передвижения источника тепла.

 

Получаем,

при y = 0, tm = 0, так как Tm = ;

при y = 1,268: c;

при y = 1,481: с;

при y = 1,989: с;

 

Скорость охлаждения металла детали найдем по формуле

 

Получаем,

 

 

 

 

Скорость роста зерна найдем по формуле

 

где  x'зак. – это координата пересечения кривой с температурой закалки при нагревании (в том случае если кривая не пересекает температуру плавления);

xпл. – это координата пересечения кривой с температурой плавления при остывании (в том случае если кривая пересекает температуру плавления);

xзак. – это координата пересечения кривой с температурой закалки при остывании.

Получаем,

 

 

 

для у =1,481см скорость роста зерна будет равен нулю, а при  у =1,989 см скорость роста зерна  отсутствует, так как образование зерна в принципе не происходит.

Результаты, полученные в ходе решения занести в таблицу 3.2

Таблица 3.2

у	0	1,8	2,1	2,9
Tm, °С		1402	1052	603
tm, с	0	11,48	15,87	26,95
wохл, °С/с	-1,758	-1,758	-1,758	-1,758
tр.з., с	9,98	15,968	0	—

 

2) V1 = 0,166 см/с;

q2 = ηI2U2 = 0,5·178·180 = 16020 Вт 3832,5 кал/с.

Рисунок 3.3 – Кривые термического цикла при q2 и V1

Таблица 3.3

у	0	1,391	1,623	2,177
Tm, °С		1406	1051	600
tm, с	0	13,77	18,56	32,04
wохл, °С/с	-1,514	-1,514	-1,514	-1,514
tр.з., с	13,06	18,15	0	—

3) V1 = 0,166 см/с;

q3 = ηI3U3 = 0,5·176·210 = 18480 Вт 4421 кал/с.

 

Рисунок 3.4 – Кривые термического цикла при q3 и V1

 

Таблица 3.4

у	0	1,5	1,75	2,34
Tm, °С		1407	1053	603
tm, с	0	16,17	21,26	37,42
wохл, °С/с	-1,586	-1,586	-1,586	-1,586
tр.з., с	14,86	21,59	0	—

 

 

4) V1 = 0,166 см/с;

     q4 = ηI4U4 = 0,5·174·240 = 20880 Вт 4995 кал/с.

Рисунок 3.5 – Кривые термического цикла при q4 и V1

Таблица 3.5

у	0	1,604	1,865	2,488
Tm, °С		1401	1054	606
tm, с	0	17,96	23,95	41,92
wохл, °С/с	-1,079	-1,079	-1,079	-1,079
tр.з., с	17,11	25,66	0	—

 

 

 

5) V1 = 0,166 см/с;

q5 = ηI5U5 = 0,5·172·270 = 23220 Вт 5555 кал/с.

Рисунок 3.6 – Кривые термического цикла при q5 и V1

 

 

Таблица 3.6

у	0	1,695	1,97	2,63
Tm, °С		1404	1055	603
tm, с	0	19,88	26,34	46,71
wохл, °С/с	-0,779	-0,779	-0,779	-0,779
tр.з., с	18,85	27,871	0	—

 

6) V2 = 9 м/с = 0,25 см/с;

q5 = 5555 кал/с.

Рисунок 3.7 – Кривые термического цикла при q5 и V2

 

Таблица 3.7

у	0	1,4	1,625	2,16
Tm, °С		1403	1050	604
tm, с	0	19,76	25,75	47,3
wохл, °С/с	-1,718	-1,718	-1,718	-1,718
tр.з., с	12,46	19,846	0	—

 

 

7) V3 = 12 м/с = 0,333 см/с;

q5 = 5555 кал/с.

Рисунок 3.8 – Кривые термического цикла при q5 и V3

 

Таблица 3.8

у	0	1,219	1,412	1,88
Tm, °С		1403	1054	600
tm, с	0	19,76	26,94	47,30
wохл, °С/с	-1,873	-1,873	-1,873	-1,873
tр.з., с	9,06	13,71	0	—

 

3.4. Расчет зависимости времени пребывания выше температуры закалки от параметров обработки

 

На основании построенных кривых термического цикла была получена зависимость времени пребывания выше температуры закалки от величины тепловой мощности источника тепла (рис. 3.9).

Рис. 3.9 – Зависимость времени пребывания выше температуры закалки от величины тепловой мощности источника ;

Из графика видно, что при увеличении тепловой мощности увеличивается время пребывания выше температуры закалки. Это объясняется тем, что с увеличением энергии теплового источника увеличивается мощность излучения, а, следовательно, повышается температура обрабатываемой поверхности и материал дольше находится выше температуры закалки.