Целью дипломной работы является разработка триботехнических композиционных материалов для газопламенных покрытий, исследование их строения, свойств и технологий их формирования.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: 1) Провести литературный обзор по триботехническим композиционным материалам для газопламенных покрытий. 2) Провести патентный поиск в области триботехнических композиционных материалов для газопламенных покрытий, их составов, строения и применяющихся технологий. 3) Провести исследования структуры и физико-механических свойств полимерных композиционных покрытий, сформированных газопламенным напылением. 4) Провести расчет экономической эффективности. 5) Провести обзор по технике безопасности и охране труда.

ВВЕДЕНИЕ В современном машиностроении, характеризующимся повышенными требованиями к показателям надежности, технологического ресурса, эргономичности, материало- и энергоемкости, экологичности, все большее применение находят функциональные покрытия на основе композиционных материалов различного состава. Разнообразие композиционных материалов, разработанных на металлических и полимерных матрицах, модифицированных компонентами разного строения и дисперсности, предполагает наличие адекватной гаммы технологий для получения покрытий с оптимальными служебными характеристиками. Высокоэффективные и экономичные газотермические технологии, разработанные для нанесения композиционных металлических покрытий в полимерной функциональном материаловедении применяются ограниченно. Этот факт обусловлен практическим отсутствием системных разработок в области физики-химии, теплофизики и технологии формирования композиционных покрытий на основе модифицированных полимерных матриц газопламенным методом. В результате сфера применения композиционных полимерных материалов в номенклатуре газопламенных технологий неоправданно узка. Поэтому необходимость разработки методологии, а также применения композиционных материалов при газопламенном нанесении покрытий является на сегодняшний день актуальной задачей.

Газопламенное напыление

Газопламенное напыление представляет собой процесс нанесения покрытия на поверхность детали с помощью высокотемпературной скоростной струи, содержащей частица порошка или капли расплавленного напыляемого материала, осаждающиеся на основном металле при ударном столкновении с его поверхностью

Первый газопламенный проволочный распылитель М.У. Шооп разработал в 1913 г. Скорость продуктов сгорания ацетилена в кислороде составляла 10 - 14 м/с. Плотность напыленных покрытий 85 - 90%. Распылитель в качестве привода имел воздушную турбину. В сопловой аппарат распылителя по осевому отверстию подавался материал в виде проволоки, а по периферии через отверстия - газовая смесь, образующая после поджига кольцевое пламя.

1 - порошковый распылитель; 2 - проволочный распылитель: 3 - бункер-питатель порошка; 4 - бухта проволоки на вращающимся столе: 5 - газовые ротаметры; 6 - газовые редукторы; 7-воздушный фильтр: 8 - ресивер; 9 - воздушный ротаметр: 10 - компрессор; 11 - газовые баллоны: 12 - газовые шланги

Схема установки газопламенного распыления

Особенности нанесения газотермических покрытий

• В высокотемпературный источник нагрева 1, напыляемый материал можно подавать в виде порошка, проволоки (прутка) или шнура 2. В случае нанесения покрытий из проволоки, она нагревается, плавится и диспергируется с конца, находящегося в высокотемпературной зоне нагрева.

• При напылении порошков их твердыми вводят в высокотемпературный поток, где они нагреваются в период движения на некотором участке А. Одновременно частицы распределяются в газовом потоке и ускоряются им на участке Б в соответствии с законами газодинамики. Далее на участке В частицы направлено перемещаются к подложке 5 и образуют на ней покрытие 4. При напылении частицы плавятся, частично испаряются и вступают в химическое взаимодействие с нагретым газом и окружающей средой. Удар и деформация частиц приводят к их чрезвычайно быстрой кристаллизации и охлаждению со скоростями, достигающими 10^б - 10⁸ К/с.

• 1 - высокотемпературный источник нагрева, 2 - проволоки (прутка) или шнур, 3 - высокотемпературный поток, 4 – образованное покрытие, 5 - подложка

Структура газотермических покрытий (гтп)

• ГТП - это слоистый материал, состоящий из сильно деформированных напыленных частиц, соединенных между собой по контактным поверхностям, на которых произошло химическое взаимодействие

1 - граница между покрытием и подложкой: 2 - граница между слоями: 3 - граница между частицами в слое: D_x диаметр пятна поверхности контакта, на котором произошло приваривание частиц

Пятна химического взаимодействия площадью D_x не заполняют всю площадь контакта (или контактной поверхности) между частицами, и поэтому прочность и плотность покрытий ниже прочности и плотности материала покрытия в компактном состоянии. Прочность в самих пятнах химического взаимодействия зависит от количества очагов схватывания, образовавшихся на площади пятна D_x и представляющих собой сварные участки небольшого размера.

Очаги схватывания возникают во время удара, деформации и затвердевания частицы, а их количество определяется уровнем развития химического взаимодействия материалов в контакте. Чем больше очагов схватывания, тем выше прочность сцепления покрытия с подложкой.

При напылении и образовании покрытия расплавленные частицы ударяются о холодную поверхность изделия, поэтому их растекание и деформация сопровождается затвердеванием. Очень важным является то, что эти процессы начинаются и идут одновременно. Под действием сил инерции сферическая частица, движущаяся со скоростью v при ударе растекается по поверхности изделия. Поскольку температура изделия ниже температуры плавления материала частицы, одновременно с растеканием в частице в месте контакта движется фронт затвердевания. Направление движения фронта перпендикулярно поверхности теплоотвода т. е. поверхности подложки. Таким образом, в растекающейся частице фронт кристаллизации движется навстречу с ее свободной поверхностью. По отношению к оси частицы оба эти процесса занимают время, необходимое для непрерывного перемещения верхней точки расплавленной частицы через ряд промежуточных состояний С₃, С₂, С₁ к ее конечному положению на поверхности в виде затвердевшей частицы. Соответственно промежуточные состояния С'₃, С'₂, С'₁ занимает край расплавленной частицы на поверхности подложки

Схема деформирования и одновременного затвердевания (заштрихована твердая фаза) расплавленной частицы при ударе о плоскую поверхность (а) и конечная форма закристаллизовавшейся частицы (б) на плоской поверхности

Вследствие затвердевания растекшаяся частица сохраняет свою форму и в покрытии. При напылении под прямым углом на плоскую гладкую поверхность подложки частицы обычно затвердевают в виде плоского тонкого диска (рисунок б). В реальном покрытии форма закристаллизовавшихся частиц гораздо более сложная, поскольку они попадают в покрытие под самыми различными углами и ложатся на шероховатую поверхность.