Результаты испытаний покрытий на прочность сцепления

Лабораторная работа № 8

 

ИЗУЧЕНИЕ влияния ДИСТАНЦИИ НАПЫЛЕНИЯ И СОСТАВА ПЛАЗМООБРАЗУЮЩЕГО ГАЗА

На прочность сцепления ПокрытиЙ

 

Цель работы: экспериментально изучить зависимости прочности сцепления покрытий от дистанции напыления и состава плазмообразующей среды.

 

Общие сведения

 

Известно, что дистанция напыления оказывает существенное влияние на прочность сцепления покрытий. Экстремумы, наблюдаемые в зависимостях адгезионной прочности покрытий от дистанции напыления, объясняются изменением температурного и агрегатного состояния частиц по мере их удаления от высокотемпературной зоны плазменной струи. Следовательно, с изменением дистанции напыления изменяются и условия протекания химического взаимодействия в системе "частица - основа".

Увеличение дистанции напыления сопровождается снижением температуры и скорости частиц. Более продолжительное пребывание частиц в плазменной струе, содержащей, кроме плазмообразующего газа, значительное количество воздуха, приводит к более интенсивному окислению частиц и насыщению их газами. С другой стороны, с ростом дистанции напыления возрастает диаметр пятна напыления. Это позволяет получать более равномерные по толщине покрытия. Возрастание дистанции напыления снижает также и вероятность перегрева напыляемых изделий высокотемпературным газовым потоком.

В большинстве случаев при нанесении покрытий в открытой атмосфере перегрев изделий недопустим. Обычно максимальная температура восстанавливаемых или упрочняемых деталей в процессе напыления не превышает 200 - 300°C. При перегреве изделий наблюдается окисление поверхности, что делает невозможным прочное соединение напыляемых частиц с поверхностью основы. Увеличение температуры нагрева покрытия и основы приводит к увеличению в них внутренних термических напряжений. Остаточные термические напряжения могут привести к разрушению покрытий непосредственно в процессе напыления или при охлаждении напыленной детали до комнатной температуры.

Особенно большое влияние на теплофизические характеристики плазменной струи и условия теплообмена при плазменно-порошковом напылении оказывают свойства плазмообразующего газа. Несмотря на высокую температуру, плазменная струя аргона относительно слабо разогревает порошковые материалы. Это обусловлено низкой ее теплопроводностью, теплоемкостью и малой протяженностью высокотемпературной зоны. Более эффективен нагрев порошковых материалов в плазменных струях многоатомных газов – азота, водорода, аммиака.

Добавки водорода к аргону, азоту или применение аммиака позволяют получать плазменные струи с высокой теплопроводностью и теплоемкостью. При увеличении теплопроводности плазмы интенсифицируется теплообмен между частицами порошков и плазмообразующей средой, возрастает длина высокотемпературной зоны, в пределах которой возможен эффективный нагрев порошковых материалов.

Для плазменного напыления покрытий применяют порошки дисперсностью 40 - 200 мкм. При выборе дисперсности порошков следует учитывать, что с увеличением размера частиц увеличиваются тепловая мощность и энтальпия плазмы, необходимые для их проплавления. Особенно сложно проплавить крупные частицы тугоплавких материалов с низкой теплопроводностью и высокой теплоемкостью, например, оксидов циркония, магния, карбида титана и пр.

 

Оборудование, инструмент, материалы

 

Образцы для определения прочности сцепления покрытий; планшайба для установки образцов под напыление; порошок корунда; порошок никелевого самофлюсующегося сплава ПГ-СР3; порошок хромистого чугуна ПГ-УС25; лабораторная установка для ситового анализа порошков; установка для струйно-абразивной обработки материалов; вращатель; установка УПУ-3Д для плазменного напыления покрытий; разрывная машина; персональный компьютер с установленным программным обеспечением “Casps”.

 

Порядок выполнения работы и оформление результатов

 

1. Используя комплект вибросит, произвести рассев порошков корунда, никелевого сплава и чугуна на фракции.

2. Произвести абразивно-струйную обработку корундом торцевой поверхности образцов для определения прочности сцепления покрытий. Использовать корунд дисперсностью 400 - 1000 мкм.

3. Установить обработанные образцы в планшайбу.

4. Закрепить планшайбу с образцами для определения прочности сцепления покрытий в патроне вращателя.

5. Порошком ПГ-СР3 произвести плазменное напыление покрытий толщиной 0,8 - 1,0 мм на обработанные поверхности образцов. Режимы напыления: ток дуги 450А; напряжение дуги 65 - 70В; плазмообразующий газ – смесь аргона и 15 об. % водорода; транспортирующий газ – аргон; расход плазмообразующего газа 40 л/мин., транспортирующего газа – 2 л/мин., порошка – 1,7 - 1,8 кг/ч; дистанция напыления (L) 80; 120; 160 и 180 мм; дисперсность порошка 63 - 100 мкм. На одной дистанции одновременно напыляют 3 образца.

6. Повторить пункт 5 для чугунного порошка.

7. Отключить подачу водорода в плазмообразующий газ. Порошком ПГ-СР3 произвести плазменное напыление покрытий толщиной 0,8 - 1,0 мм на обработанные поверхности образцов. Режимы напыления: ток дуги 450А; напряжение дуги 30В; плазмообразующий и транспортирующий газ аргон; расход плазмообразующего газа 40 л/мин., транспортирующего газа – 2 л/мин., порошка – 1,7 - 1,8 кг/ч; дистанция напыления (L) 80; 120; 160 и 180 мм; дисперсность порошка 63 - 100 мкм. На одной дистанции одновременно напыляют 3 образца.

8. Повторить пункт 7 для чугунного порошка.

9. На разрывной машине определить усилие, при котором происходит отрыв конического штифта от покрытий. Рассчитать прочность сцепления покрытий для трех образцов в каждом эксперименте (s₁,s₂,s₃) и среднеарифметическое значение прочности сцепления (s_ср) по трем экспериментальным точкам. Результаты измерений и расчетов отдельно по каждому эксперименту (п.п. 5, 6, 7, 8) занести в табл. 8.1.

 

Таблица 8.1

Результаты испытаний покрытий на прочность сцепления

Марка напыляемого материала	Дистанция напыления, мм	Прочность сцепления, МПа
		s1	s2	s3	sср
ПГ-СР3, режим 1 (плазмообразующий газ Ar)	80
	120
	160
	180
ПГ-СР3, режим 2 (плазмообразующий газ Ar + 15 об. % Н2)	80
	120
	160
	180
Чугун ПГ-УС25, режим 1 (плазмообразующий газ Ar)	80
	120
	160
	180
Чугун ПГ-УС25, режим 2 (плазмообразующий газ Ar + 15 об. % Н2)	80
	120
	160
	180

 

10.  Построить графические зависимости прочности сцепления покрытий от дистанции напыления при использовании в качестве плазмообразующего газа аргона и газовой смеси Ar + 15 об.% Н₂.

11.  Используя программный комплекс “СASPS”, рассчитать термические циклы никелевых и железных частиц диаметром 60, 80 и 100 мкм при их движении: а) по оси плазменной струи;

б) на удалении 2 мм от оси плазменной струи;

в) на удалении 2,5 мм от оси плазменной струи.

На основании полученных расчетных данных сделать вывод о возможности проплавления частиц диаметром 60, 80 и 100 мкм в плазменных струях Ar и Ar + 15 об. % Н₂. В расчетах принимать, что порошки вводятся на срез сопла плазмотрона.

12.  Проанализировать зависимости прочности сцепления покрытий из никелевого самофлюсующегося сплава и чугунного порошка от дистанции напыления, состава плазмообразующей среды и электрической мощности дугового разряда, объяснить их характер исходя из особенностей нагрева частиц порошков в плазменной струе.