Анализ       Справочники       Сценарии       Рефераты       Курсовые работы       Авторефераты       Программы       Методички       Документы     опубликовать

Е. О. Патона Кислица Александр Николаевич удк 621. 785. 54 микроплазменное напыление с использованием проволочных материалов Специальность 05. 03. 06 сварка и родственные процессы и технологии Автореферат




Скачать 440.1 Kb.
НазваниеЕ. О. Патона Кислица Александр Николаевич удк 621. 785. 54 микроплазменное напыление с использованием проволочных материалов Специальность 05. 03. 06 сварка и родственные процессы и технологии Автореферат
страница1/2
Дата04.12.2012
Размер440.1 Kb.
ТипАвтореферат
  1   2

Национальная академия наук Украины

Институт электросварки им. Е.О. Патона


Кислица Александр Николаевич


УДК 621.785.54


микроплазменное напыление
С использованием проволочных материалов



Специальность 05.03.06 – сварка и родственные процессы и технологии


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук


Киев – 2010

Диссертацией является рукопись


Работа выполнена в Институте электросварки им. Е.О. Патона НАНУ.


Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

^ Борисов Юрий Сергеевич,

Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, заведующий отделом защитных покрытий


Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

^ Корж Виктор Николаевич,

Национальный технический университет

Украины “КПИ”,

профессор кафедры инженерии поверхности


доктор технических наук,

^ Коржик Владимир Николаевич,

Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, заведующий отделом электротермических процессов обработки материалов










Защита состоится « 22 » декабря 2010 г. в 1000 часов на заседании специализированного ученого совета Д.26.182.01 при Институте электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины по адресу: 03680 г. Киев,
ул. Боженко, 11.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ по адресу: 03680 г. Киев, ул. Боженко, 11.


Автореферат разослан « 11 » ноября 2010 г.



Ученый секретарь специализированного

ученого совета Д.26.182.01

д.т.н.

Л.С. Киреев

^ Общая характеристика работы


Актуальность темы. Инженерия поверхности представляет собой научно-техническое направление, объединяющее различные процессы обработки поверхности, целью которых является защита её от разрушающего воздействия внешних факторов (износа, коррозии и др.), а также придание ей новых эксплуатационных свойств. Одним из таких методов управления свойствами поверхности является нанесение покрытий. К числу активно развивающихся методов нанесения покрытий относится газотермическое напыление. В последнее время прогресс в развитии этого направления в большой степени связан с появлением новых методов ГТН, например таких как плазменное напыление в динамическом вакууме (LPPS), высокоскоростное газопламенное (HVOF), холодное напыление и др. Их появление позволило повысить качество покрытий и расширить применение ГТН. К числу таких новых методов ГТН относится также микроплазменное напыление, главным отличием которого является использование плазмотронов малой мощности (до 5 кВт). Идея использования микроплазмы для нанесения покрытий зародилась в ИЭС в 80-х годах прошлого века. Первые эксперименты были проведены группой В.Л. Богачека в 1980-85г.г. с использованием для этой цели установки МПУ-4, оснащённой устройством для подачи порошка. Полученные положительные результаты явились основанием для развития этого направления в ИЭС. В рамках научной и опытно-конструкторской тематики было создано специализированное оборудование для МПН, проведен ряд исследовательских и экспериментальных работ, результатом которых установлена возможность получения таким способом покрытий из широкого круга материалов - металлов, сплавов, оксидов, карбидов. Основные преимущества МПН, выявленные при его развитии в ИЭС им Е.О. Патона, состоят в:

– малом размере пятна напыления (1…5мм), что обеспечивает высокую локальность формирования покрытия и возможность нанесения покрытий на изделия малых размеров, а также локального ремонта поверхности;

– подача напыляемого материала при выносном аноде в дуговой промежуток обеспечивает высокую эффективность нагрева порошка;

– возможность формирования ламинарной струи длиной 100…150 мм. обеспечивает нагрев тугоплавких материалов в струе Ar-плазмы;

– подача защитного газа (Ar) ограничивает примешивание воздуха в струю в процессе напыления.

Наиболее детально был исследован процесс и разработана технология МПН биокерамических покрытий, которая получила практическое применение. Оборудование МПН, разработанное в ИЭС, нашло практическое применение для нанесения покрытий и ремонта деталей ГТД (США, Pratt&Whitnеу), ремонта поверхности изделий (Россия, Прометей).

В последнее время работы по МПН с использованием порошков с созданием оборудования для его реализации начали развиваться в Китае (Welding Research Institute, School of Materials Science and Engineering, Xi'an Jiaotong University).

Однако данному варианту технологии МПН присущ ряд недостатков, свойственных газотермическому напылению порошков:

– полидисперсность порошков ведёт к неоднородности условий нагрева и ускорения частиц и как следствие к неоднородности структуры покрытия.

– порошковые дозаторы не в состоянии обеспечить достаточно точную и стабильную подачу материала.

Кроме того при напылении порошков МПН с использованием ламинарной струи существует дополнительное требование к качеству порошков – высокая текучесть, необходимая для подачи их без пневмотранспорта во избежание нарушения режима истечения струи.

Таким образом, создание способа МПН с использованием проволоки, обеспечивающего возможность избежать указанных недостатков, является актуальным и представляет собой следующий этап развития этой технологии.

В целом проволочное напыление широко применяется в условиях газопламенного напыления, на нем основана дуговая металлизация. Технологический процесс распыления проволоки плазменной струей с целью получения сфероидизированных порошков металла начал свое развитие в 60-х годах прошлого века как за рубежом (США, Германия, Япония) так и в СССР. Исследование процесса плазменного распыления токоведущей проволоки были выполнены И.Д. Кулагиным, В.А. Петруничевым В.В. Кудиновым (ИМЕТ АН СССР, Москва); А.Н. Красновым (Институт проблем материаловедения АН УССР, Киев). В дальнейшем в СССР был освоен выпуск установок плазменного напыления УПУ, снабженных устройством подачи проволоки в плазменную струю. Однако в применении к микроплазменному процессу такие разработки отсутствуют.

Среди новых направлений практического применения газотермических покрытий активное развитие получают покрытия биомедицинского назначения, в частности для нанесения на различные виды эндопротезов. К таким покрытиям относятся покрытия, наносимые с использованием порошков гидроксиапатита, титана и др. Однако они обладают не всегда достаточным уровнем прочности сцепления и степени пористости, связанными с развитием процесса остеоинтеграции. Потому с точки зрения практического приложения методов проволочного МПН актуальной является разработка технологии МПН биомедицинского покрытия с использованием Ti-проволоки.

Все вышесказанное указывает на то, что разработка технологии МПН с использованием ПрМ, является актуальной задачей.

^ Цель и задачи исследования. Цель работы – создание технологии микроплазменного напыления покрытий с использованием проволочных материалов на основе расчетно-теоретического анализа процесса диспергирования расплава напыляемого материала при плавлении нейтральной проволоки в условиях микроплазменного напыления, исследований энергетических характеристик микроплазмотрона и генерируемой им плазменной струи при работе в условиях распыления проволоки, переноса частиц напыляемого материала, процесса формирования покрытия и изучения его свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

– определить и проанализировать основные особенности процессов плазменного нанесения покрытий с использованием проволочных материалов;

– провести расчетно-теоретический анализ процесса диспергирования расплава материала нейтральной проволоки в условиях микроплазменного напыления;

– исследовать характеристики микроплазмотрона и плазменной струи, генерируемой им в условиях напыления с использованием проволочных материалов;

– исследовать процесс переноса частиц плазменной струей;

– исследовать влияние факторов микроплазменного напыления с использованием проволочных материалов на структуру и свойства получаемых покрытий;

– разработать технологию нанесения покрытий с управляемой пористостью на различные детали эндопротезов методом микроплазменного напыления с использованием проволочных материалов.

^ Объект исследования – процесс микроплазменного напыления покрытий с использованием проволочных материалов.

Предмет исследования – влияние условий микроплазменного напыления с использованием проволочных материалов на формирование и структуру покрытий.

^ Методы исследования. Для решения поставленных задач и получения основных результатов диссертационной работы использовались такие методы исследования как: метод математического планирования эксперимента, рентгеноструктурный анализ, металлографический анализ, сканирующая электронная микроскопия.

Для определения скорости частиц фотоэлектрическим методом в процессе микроплазменного напыления использовали прибор ИCCO-1. Исследование свойств покрытий проводилось по известным методикам на образцах из стали и титана, прочность сцепления покрытия с основой при отрыве проводили по клеевой методике согласно ГОСТ-14760-69 и ASTM C 633-79, а также при сдвиге согласно ГОСТ-14759-69 и ИСО 45-79 на разрывной испытательной машине Р-50 (максимальная нагрузка 50 кН), микротвердость - на приборе
Leco-M-400, ПМТ- 3, пористость - оптическим методом с использованием приборов Neophot-32, Jenavert, цифровое изображение обрабатывалось программой Atlas, расчеты велись с помощью программ Mathcad, Microsoft Office Excel 2003.

^ Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнялась в соответствии с:

– ведомственной темой: «Разработка материалов и новых технологий получения функциональных покрытий с нетрадиционной, в том числе квазикристаллической структурой и исследование их свойств», 1.6.1.73.6 1998-1999 рр.;

– ведомственной темой: «Разработка научных основ и исследование физико-химических особенностей процессов нанесения покрытий, которые совмещены с синтезом тугоплавких соединений и использованием термоактивных источников тепла», 1.6.1.73.8 2000-2002 гг.;

– научно-исследовательской работой: «Разработка технологии нанесения и исследование титанового покрытия с развитой поверхностью полученного микроплазменным распылением проволоки». 73/3-П 2003 г.;

– 6-ой Европейской программой, проект CRAF-1999-72496 «МикроСпрейМед» 2004-2005 гг.;

– ведомственной темой: «Дослідити фізико-металургійні поцеси формування нанокристалічної структури покриттів, розробити способи одержання і склади покриттів з нанокристалічною фазою» 1.6.1.73.10 2004-2006 гг.;

– программой “Ресурс”, проект «Розробка технології виготовлення ендопротезів кульшового суглобу з біосумісними покриттями та виготовлення головної партії для використання у клінічній практиці.» 73/55(8.1) 2007-2009г.;

– научно-исследовательской работой “Дослідження властивостей покриттів з титану та діоксиду титану, що застосовуються у якості покриттів для імплантатів”, проект 73/20 НДР молодих вчених НАН України 2008 г.

^ Научная новизна полученных результатов.

– В результате расчетно-теоретического анализа условий распыления проволоки установлено, что скорость струи при микроплазменном напылении, обеспечивающая эффективное диспергирование расплава составляет 270…430 м/с в зависимости от величины силы поверхностного натяжения расплава материала проволоки в пределах σ = 0,914…2,3 Дж/м2. Показано, что это соответствует устанавливаемому расходу плазмообразующего газа Ar в пределах 100…300 л/ч и сопровождается формированием турбулентного режима истечения плазменной струи с числом Рейнольдса Re = 3000…9000. Величина диаметра проволоки и скорость её подачи в зону дуги при МПН зависят от условий теплообмена при нагреве проволоки и теплофизических свойств её материала, которые определяют её стабильное плавление в зоне дуги. В случае применения W, NiCr, Ti диаметр проволоки составляет –
0,2 …0,4 мм, скорость подачи – 3…6 м/мин.

– В результате измерения электрических и тепловых характеристик турбулентной микроплазменной Ar-струи, формирующейся в условиях распыления нейтральной проволоки, установлено, что ВАХ микроплазмотрона с выносным анодом линейно возрастает в диапазоне токов 10…60А при изменении расхода плазмообразующего газа в диапазоне 100…300 л/ч. КПД микроплазмотрона в этих условиях практически не зависит от величины силы тока и достигает 73%. Максимальная величина энтальпии плазменной Ar-струи в указанном диапазоне режимов составляет 40 кДж/л, что эквивалентно температуре 17700 К.

– Установлено, что главными путями управления размером напыляемых частиц являются изменение величины силы тока и расхода плазмообразующего газа. Так минимальный средний размер частиц получен при распылении всех исследованных проволок (Ti, NiCr, W) в случае сочетания максимальных значений данных рабочих параметров (142 мкм для Ti, 95 мкм для NiCr, и 157 мкм для W), что связано со снижением величины поверхностного натяжения расплава металлов при перегреве частиц и повышением динамического напора плазменной струи. Комбинация минимальных значений силы тока и расхода плазмообразующего газа приводит, как правило, к формированию частиц с максимальным (или близкими к максимальным) размерами (342 мкм для Ti, 209 мкм для NiCr и 266 мкм для W). В случае NiCr и Ti наблюдается явление возрастания размера частиц при увеличении дистанции напыления, что связано с протеканием процесса коагуляции при столкновении частиц в объеме струи.

– Установлено, что в условиях микроплазменного напыления формируются покрытия с пониженным содержанием оксидов (до 0,9% – в Ti-покрытии, до 3,1% – в NiCr-покрытии, W-покрытие практически не содержит оксидов). Это обусловлено переходом к использованию турбулентного режима истечения плазменной Ar-струи с сокращением её длины до 30…50 мм и возможностью напыления при дистанциях 40…80 мм, а также снижением свободной поверхности напыляемых частиц за счет увеличения их размеров (150…300 мкм).

^ Практическое значение полученных результатов:

– сформулирован подход к выбору диаметра проволоки и параметров процесса микроплазменного напыления покрытий с использованием проволочных материалов в зависимости от физических и теплофизических свойств используемых металлов.

– разработано оборудование для микроплазменного напыления с использованием проволочных материалов, которое состоит из установки
МПН-004 и устройства для подачи нейтральной проволоки малого диаметра (0,2…0,4 мм) в дуговой промежуток, с обеспечением стабилизированного регулирования скорости подачи проволоки в пределах 1…6 м/мин;

– разработана технология микроплазменного нанесения биосовместимого титанового покрытия, которая обеспечивает возможность получения покрытий с управляемыми показателями пористости и шероховатости. Ti-покрытия, полученные по разработанной технологии, удовлетворяют требованиям ASTM по прочности сцепления с основой, прошли токсиколого-гигиеническую экспертизу и испытания «in-vivo», которые подтвердили их высокую биосовместимость и включены в состав эндопротезов тазобедренного сустава нового типа, разработанного в Украине.

^ Личный вклад соискателя. Автором самостоятельно поставлены задачи и определены пути их решения, проведены теоретические и экспериментальные исследования, обобщены результаты, разработаны рекомендации и сделаны выводы.

Автором проведен расчетно-теоретический анализ процесса распыления проволоки микроплазменной струей [7]. Разработаны методика и осуществлены эксперименты по измерению ВАХ и КПД плазмотрона МП-04 для условий микроплазменного распыления проволочных материалов. Проведены эксперименты по изучению процесса диспергации расплава проволоки микроплазменной струей. Проведены эксперименты по исследованию влияния параметров процесса на размер и скорость частиц при диспергировании материала проволоки плазменной струей [1, 2, 4, 7, 10]. Проведен сплет-тест и исследования по определению степени влияния параметров процесса МПН на КИМ [2, 11, 13]. Проведены исследования по определению прочности сцепления Ti-покрытий с основой при отрыве и сдвиге [5, 11, 12]. Разработано устройство для контролируемой подачи проволок малого диаметра в микроплазменную дугу [1, 3, 10 15]. Разработана технология нанесения биосовместимого пористого титанового покрытия для изготовления эндопротезов тазобедренного сустава человека методом микроплазменного напыления с использованием проволочных материалов [6, 8, 9, 14, 15].

^ Апробация результатов диссертации. Работа выполнялась в ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ. Основные научные положения диссертации докладывались: на II, III, IV и V Всеукраїнських науково-технічних конференціях молодих вчених і фахівців «Зварювання та споріднені технології», (м. Київ, 2003, 2005, 2007, 2009 рр.); на International Thermal Spray Conference and Exposition “Thermal Spray Solutions Advances in Technology and Application”, Osaka, Japan, 2004; на Всеукраїнській науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих науковців ”Зварювання та споріднені процеси і технології”, м. Миколаїв 3-7 вересня 2008 р.; на Международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях» Highmattech 2009 г.Киев, 19–23 октября 2009 г.

Публикации. Результаты диссертации представлены в 15 опубликованных работах: 5 статей, из них 3 статей в специализированных научных журналах, 10 тезисов докладов в сборниках научно-технических конференций. Список опубликованных работ приведен в конце автореферата.

^ Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 разделов, выводов, списков использованных источников и приложений. Диссертация имеет общий объем 164 страниц машинописного текста, включая 58 рисунков, 25 таблиц, список литературы из 136 наименований.


основное содержание работы


Во вступлении обоснована актуальность разработки технологии микроплазменного нанесения покрытий с использованием проволочных материалов. Сформулирована цель работы и основные направления исследований. Сформулирована научная новизна и практическое значение полученных результатов. Показан личный вклад автора.

^ В первом разделе представлены этапы развития метода микроплазменного напыления покрытий. Показаны отличительные особенности использования микроплазменной струи в процессе получения покрытий из порошковых материалов. Определены преимущества и недостатки метода микроплазменного напыления покрытий из порошков.

Основные преимущества метода МПН – малый размер пятна напыления 1…5 мм, что сводит потери напыляемого материала при напылении на малые детали к минимуму, низкое тепловое воздействие на деталь, применение струи защитного газа.

Представлен обзор технологий газотермических методов получения покрытий, использующих в качестве исходных проволочные материалы. Показаны преимущества использования проволочных материалов при напылении покрытий, к которым относятся:

– точная, контролируемая дозировка напыляемого материала;

– напыление может осуществляться из всех материалов, которые могут быть получены в виде проволоки;

– проволока попадает в центральную высокотемпературную высокоскоростную область плазменной струи;

– напыляемые частицы полностью расплавлены.

Недостатком при использовании проволок сплошного сечения является ограничение по составу напыляемого материала.

Представлено оборудование микроплазменного напыления покрытий - установка МПН-004, плазмотрон МП-04, устройство для подачи проволоки.

Процесс МПН с использованием ПрМ совмещает в себе преимущества использования микроплазменной струи с преимуществами использования проволочных материалов, применение струи защитного газа дает возможность получать покрытия с пониженным содержанием оксидов. КИМ процесса может достигать 90%.

На основании проведенного анализа была поставлена цель данной работы и определены задачи исследования.

^ Во втором разделе приведено описание методов исследования рабочих характеристик микроплазмотрона и самого процесса МПН с использованием ПрМ, методик исследования частиц, получаемых при распылении проволочных материалов и получаемых покрытий.

Для установления характера взаимосвязей между условиями распыления проволочных материалов и свойствами получаемых покрытий использовался метод математического планирования эксперимента. Исходя из результатов предварительных экспериментов и накопленного практического опыта микроплазменного напыления с использованием порошков на установке МПН-004, в качестве факторов эксперимента были выбраны: сила тока – I, A, расход плазмообразующего газа – Qпг, л/ч, дистанция напыления – H, мм, скорость подачи проволоки – Vпр, м/мин. Эти факторы были включены в матрицу математического планирования экспериментов (табл.1).

Для каждого из материалов была построена своя матрица с граничными режимами, при которых наблюдался процесс распыления проволоки (табл.2).

Покрытие формируется за счет наслоения деформированных частиц напыляемого материала - сплетов на поверхность основы и в дальнейшем друг на друга. Данные сплет-теста, характеризующие внешний вид и структуру застывших на поверхности частиц, позволяют судить о характере актов индивидуального взаимодействия частиц с основой, тем самым давая возможность оценить какими характеристиками будут обладать покрытия, полученные на тех или иных режимах. Анализ и классификация сплетов по внешнему виду были проведены с помощью микроскопа Jenavert, их фотосъемка проводилась при помощи цифрового фотоаппарата, а также электронного сканирующего микроскопа.


^ Таблица 1. Матрица математического планирования экспериментов

Таблица 2. Граничные значения факторов для распыляемых металлов.



режима

I, A

Qпг ,

л/ч

H,

мм

Vпр,

м /мин

1

+

+

+

+

2

+

+

-

-

3

+

-

+

-

4

+

-

-

+

5

-

+

+

-

6

-

+

-

+

7

-

-

+

+

8

-

-

-

-

9

0

0

0

0





Фактор

W

NiCr

Ti

min

max

min

max

min

max

I, A

40

60

30

40

16

24

Qпг,

л/ч

180

300

150

180

140

220

H, мм

40

120

60

100

40

120

Vпр, м/мин

4,0

6,0

3,0

4,0

3,0

3,4




При исследовании собранных в воду частиц и структуры покрытий применяли комплексную методику, включающую металлографию (приборы Neophot-32, Jenavert), микродюрометрию (LECO-M-400, ПМТ- 3), сканирующую электронную микроскопию.

Для определения скорости частиц фотоэлектрическим методом в процессе микроплазменного распыления проволочных материалов использовали измеритель скоростей светящихся объектов ИССО-1.

Измерение прочности сцепления покрытий с основой при отрыве проводили по клеевой методике согласно ГОСТ-14760-69 и ASTM C 633-79, а также при сдвиге согласно ГОСТ-14759-69 и ИСО 45-79 на разрывной испытательной машине Р-50 (максимальная нагрузка 50 кН).

При оценке параметров пористости по шлифам использовали оптическую методику, заключающуюся в определении площади, приходящейся на обнаруженные поры, относительно всей площади шлифа покрытия.

Анализ шлифов проводился с использованием приборов Neophot-32, Jenavert. Цифровое изображение обрабатывалось программой «Atlas», которая позволяет измерять пористость методом анализа изображения по стандарту ASTM B-276, (размеры максимальной и минимальной поры, количество и процентное отношение пор по площади).

Для определения коэффициента использования материала (КИМ) проводилось напыление на серию образцов по 3 шт на каждый из 8 режимов с контролем веса до и после напыления. После вычисления разницы в весе поданного материала и напыленного покрытия определяли КИМ.

Для анализа фигуры металлизации производили напыление при неподвижном образце и перемещении плазмотрона вдоль образца в горизонтальной плоскости при 10 проходах. После фотосъемки и обработки изображения измеряли ширину и высоту валика, получали координаты профиля фигуры. С помощью программы Mathcad строилась фигура металлизации, определялась описывающая ее функция и площадь.

^ В третьем разделе приведено описание экспериментального оборудования, образцов для напыления, а также характеристики проволочных материалов, применяемых при МПН.

Для проведения экспериментов по исследованию процессов, протекающих при МПН с использованием ПрМ, использовалась установка МПН-004. В состав установки входит микроплазмотрон МП-04, источник питания с панелью управления, блок охлаждения, блок управления расходами газа и управления дозирующими устройствами. Данное оборудование разработано в ИЭС им. Е.О. Патона (патент Украины №1848, класс В23К10/00 от 16.06.2003. Плазмотрон для напыления покрытий. Борисов Ю.С., Войнарович С.Г., Фомакин А.А., Ющенко К.А.)

Автором работы разработано устройство для подачи нейтральной проволоки малого диаметра (0,2…0,4 мм) в дуговой промежуток, позволяющее контролированно дозировать распыляемый материал за счет стабилизированного регулирования скорости подачи проволоки в пределах 1…6 м/мин.

Для проведения исследований покрытий напыление выполняли на плоские образцы размером 20х10х3 мм из стали марки Ст-3 и из титана. Для проведения сплет-теста использовались образцы из стекла толщиной 3 мм и из полированной нержавеющей стали толщиной 2 мм.

Для исследования процесса распыления проволочных материалов микроплазменной струей, диспергации расплава проволоки и ускорения получаемых частиц, формирования покрытий и исследования их свойств, были выбраны три различных по свойствам материала, отличающиеся значением – температуры плавления – Tпл силы поверхностного натяжения расплава – σ и удельного веса – ρ W (марки ВА), NiCr (сплав Inconel 82) и Ti (марки ВТ1-00). При исследовании применяли проволоки диаметром 0,3 мм для Ti и NiCr и 0,25 мм для W.

^ В четвертом разделе проведен расчетно-теоретический анализ процесса распыления проволоки микроплазменной струей.

Важным элементом процесса плазменного напыления с использованием ПрМ является процесс плавления проволоки, диспергирование капли расплава металла, образующейся на торце проволоки и формирование струи, содержащей частицы напыляемого материала. Для определения путей управления процессом плавления материала проволоки и диспергирования образующегося расплава проведен анализ условий этого процесса.

Анализ условия отрыва капли в условиях плазменного распыления проволоки показал, что отрыв капли наступает, когда напорное усилие, создаваемое струей (Fc), будет равно или превысит силу поверхностного натяжения (Fпн), удерживающую её на торце Fc ≥ Fпн.

Fc зависит от скорости плазменной струи (υc), а Fпн пропорциональна диаметру проволоки (dпр) и силе поверхностного натяжения расплава данного металла (σ). Исходя из условия отрыва капли, можно определить величину необходимой скорости микроплазменной струи, обеспечивающей эффективное распыления проволоки определенного диаметра.


υc (1)


где dк – диаметр образующейся капли, ρ – плотность газа струи.

Рассчитана зависимость такой скорости микроплазменной струи от состава материала и диаметра проволоки для случая размера диаметра образующейся капли – 0,2 мм. Результат расчетов представлен на рис. 1. Установлено, что в процессе распыления проволоки микроплазменной струей условием отрыва капли расплава с торца нейтральной проволоки является скорость микроплазменной струи в диапазоне 270…430 м/с, в зависимости от поверхностного натяжения материала проволоки (σ = 0,914…2,3). Это соответствует устанавливаемому расходу плазмообразующего газа в пределах 100…300 л/ч (т.е. в 2…3 раза выше по сравнению с микроплазменным порошковым напылением), что сопровождается формированием турбулентного режима истечения плазменной Ar-струи (Re = 3000…9000).



Рис.1. Зависимость величины необходимой скорости плазменной струи от поверхностного натяжения расплава разных материалов и диаметра проволоки.

- 0,4 мм

- 0,3 мм

- 0,2мм


Исходя из развития процесса теплообмена между плазменной струей и проволокой, а также количества теплоты, необходимого для плавления единицы длины проволоки, определяется скорость её подачи в плазменную струю (υпр), при которой будет стабильно протекать процесс диспергирования расплава металла.


υпр = (2)


где α – коэффициент теплоотдачи, F – площадь теплообмена проволоки,
ρпр – плотность материала проволоки, Tс = f(I, Qпг, ВАХ, КПД) – температура струи, Tпл – температура плавления материала, T0 – начальная температура проволоки, Cp и Lпл – теплоемкость и теплота плавления материала проволоки, Sпр – площадь сечения проволоки.

В результате было установлено, что скорость подачи проволок W, NiCr, Ti в плазменную струю зависит от коэффициента теплоотдачи плазменной струи, режима работы плазмотрона и теплофизических свойств материала проволоки и находится в пределах 3…6 м/мин.

В связи с тем, что процесс МПН с использованием ПрМ протекает при повышенных расходах плазмообразующего газа (Qпг) и силе тока (I) по сравнению с МПН порошков возникает необходимость оценки влияния этих изменений на работу плазмотрона. В данном разделе описаны результаты исследования электрических и тепловых характеристик плазмотрона, а именно ВАХ и КПД плазмотрона, температуры микроплазменной струи, влияния расхода плазмообразующего газа и силы тока на режим истечения и длину микроплазменной струи.

Установлено, что вольт-амперные характеристики плазмотрона МП-04 в условиях напыления с использованием проволочных материалов (рис.2) имеют линейный вид и являются восходящими.




Рис.2. ВАХ плазмотрона МП-04; диаметр сопла - 1 мм, плазмообразующий газ-аргон, расход плазмообразующего газа, л/ч :

- 100

- 200

- 300

- 150

- 250





Показано, что изменение силы тока от 15А до 60А во всем диапазоне расхода плазмообразующего газа 100…300 л/ч практически не приводит к изменению термического КПД микроплазмотрона МП-04 (рис.3). Установлено также, что термический КПД плазмотрона увеличивается с увеличением расхода плазмообразующего газа в диапазоне 100…200 л/ч, а в диапазоне расходов 200…300 л/ч роста КПД не наблюдается. Это объясняется наступлением баланса между энергией, которая отбирается плазмообразующим газом и системой охлаждения плазмотрона, а также наступлением критических условий, при которых сжатие дуги максимально и потери в стенки сопла остаются на одном уровне. Максимальный КПД микроплазмотрона МП-04 достигает 75%, что превышает результат, полученный, в условиях МПН порошков.



Рис.3. Изменение термического КПД плазмотрона МП-04 в зависимости от расхода плазмообразующего газа при разных значений силы тока, А:

- 15

- 45

- 30

- 60







Проведенный расчет параметров плазмы показал, что максимальная температура струи составляет 17700 К при минимальном расходе газа (100 л/ч) и максимальной силе тока (60 А), а минимальная температура составляет 5000 К при максимальном расходе газа (300 л/ч) и минимальной силе тока (15 А) (рис.4).



Рис.4. Изменение энтальпии в зависимости от расхода газа для разных значений силы тока, А:

- 15

- 45

- 30

- 60

В процессе проведенния экспериментов был изучен характер истечения микроплазменной струи, в условиях распыления проволоки микроплазменной струей. Установлено, что при расходе аргона 100 л/ч и силе тока 50А, число Рейнольдса Re равно ~2300, характер истечения плазменной струи является квазиламинарным или переходным режимом истечения, хотя длина струи заметно снижается до 50…70 мм по сравнению с процессом напыления порошков, где ее длина составляет 150 мм. При дальнейшем увеличении расхода плазмообразующего газа (выше 100 л/ч) возникает зона переходного режима истечения, появляются возмущения потока и происходит переход к турбулентному характеру истечения плазменной струи при числе Рейнольдса Re≥3000, длина струи при этом сокращается до 30…50 мм. Дополнительным фактором турбулизации микроплазменной струи является введение проволоки, являющейся некоторой преградой для струи, и появление в ней продуктов распыления, которые активно участвуют в перемешивании слоев плазменного потока.

Для определения влияния параметров процесса МПН на размер частиц, образующихся при распылении расплава нейтральной проволоки микроплазменной струей, была исследована зависимость среднего размера частиц (рис.5). Режимы процесса распыления проволоки устанавливали согласно матрице планирования экспериментов (табл.1 и 2).




а б в

Рис.5. Зависимость среднего размера частиц от режима распыления для:

вольфрама (а), нихрома (б), титана (в).


В результате математической обработки результатов измерения получены следующие уравнения регрессии, выражающие зависимость размера частиц от условий распыления:


dчср(W) = 520,6-3,64I-0,198Qпг -0,097H-12,38Vпр

dчср(NiCr) = 546-5,05I-1,48Qпг+0,69H-4,79Vпр

dчср(Ti) =570,58-9,719I-0,872Qпг +0,4H-7,5Vпр

Анализ уравнений регрессии позволил определить влияние изменяемых факторов процесса на величину среднего размера частиц для каждого из материалов, степень диспергации расплава проволоки в условиях МПН.

Таблица 3. Степень влияния различных факторов процесса распыления проволоки на величину среднего размера частиц для различных материалов

 

W

NiCr

Ti

Сила тока I

↓↓↓

↓↓↓

↓↓↓

Расход плазмообразующего газа Qпг

↓↓

↓↓↓

↓↓↓

Дистанция напыления Н



↑↑

↑↑

Скорость подачи проволоки Vпр

↓↓






В результате исследования влияния различных факторов на размер частиц продуктов диспергирования расплава проволоки при микроплазменном проволочном напылении установлено, что главными путями управления размером напыляемых частиц является изменение величины силы тока и расхода плазмообразующего газа (табл.3). Так минимальный средний размер частиц получен при распылении всех исследованных проволок (Ti, NiCr, W) в случае сочетания максимальных значений данных рабочих параметров (142 мкм для Ti, 95 мкм для NiCr, и 157 мкм для W), что связано со снижением величины поверхностного натяжения расплава металлов при перегреве частиц и повышением динамического напора плазменной струи. Комбинация минимальных значений силы тока и расхода плазмообразующего газа приводит, как правило, к формированию частиц с максимальным (или близкими к максимальным) размерами (342 мкм для Ti, 209 мкм для NiCr и 266 мкм для W). В случае NiCr и Ti наблюдается явление роста размера частиц при увеличении дистанции напыления, что связано с протеканием процесса коагуляции при столкновении частиц в объеме струи.

Важным фактором в процессе газотермического напыления покрытий является скорость напыляемых частиц, которая определяет их кинетическую энергию и время пребывания в объеме струи, т. е развитие процессов взаимодействия с окружающей средой. Проведенное исследование скоростей частиц на разных режимах показали во всех случаях линейное увеличение скорости частиц при увеличении расхода плазмообразующего газа Qпг и силы тока I. Кроме того наблюдается зависимость скорости частиц от удельного веса материала, так например W-частицы имеют скорость от 14 до 44 м/с, частицы нихрома от 14 до 72 м/с, частицы титана имеют скорость от 21 до 72 м/с, в зависимости от режима распыления проволоки.

^ В пятом разделе представлены исследования процесса формирования слоя, изучены свойства получаемых покрытий.

Исследование поведения частиц расплава различных материалов при деформации на основе (сплет-тест) позволило установить влияние параметров микроплазменного напыления на состояние частиц при взаимодействии с основой. Так сплеты частиц титана, полученные на режимах №№ 1, 2, 4, 6, полностью расплавлены а на режимах №№ 5, 7, 8 видно начало затвердевания частиц на момент их удара с основой (рис.6).




Рис.6. Сплеты титана, полученные, при использовании условий напыления согласно матрице.


Степень влияния параметров микроплазменного напыления на величину коэффициента использования материала (КИМ) изучалась с применением метода математического планирования эксперимента с использованием матрицы, приведенной в табл.1, 2. В результате обработки полученных результатов получены следующие уравнения регрессии для W, NiCr, и Ti:


КИМW%=84,25-0,05·I-0,0375·Qпг-0,069·Н-1,25·Vпр

КИМNiCr%=133,98+0,775·I+0,0175·Qпг-0,069·Н-1,04·Vпр

КИМTi%=22,01+0,53·I+0,084·Qпг-0,241·Н+9,42·Vпр

Анализ результата действия этих параметров позволил определить влияние изменяемых факторов процесса на величину КИМ для каждого из материалов, а также позволил, задавая значения параметров напыления, добиться максимальных значений КИМ при МПН с использованием ПрМ, тем самым показывая возможность управления этим процессом.

Исследования структуры Ti-покрытий показали возможность разделения их на 3 группы. На рис. 7 а показано покрытие на режиме №4 с плотной структурой, которое образуется из расплавленных частиц (рис. 6, режим №4) со средним размером частиц 180 мкм, имеющих высокую скорость до 40 м/с. Подобная структура наблюдается на режимах №№1, 2, 6. На рис. 7 б показано покрытие на режиме №7, с зернистой структурой, где покрытие образуется из расплавленных и частично застывших частиц (рис. 6, режим №7) со средним размером частиц 340 мкм, имеющих среднее значение скорости до 25 м/с.. Подобная структура наблюдается на режимах №№3 и 5. Здесь можно наблюдать наличие пор и зернистых включений из закрепившихся затвердевших частиц. На рис. 7,в показано покрытие на режиме №8, с крупнозернистой структурой и большим количеством пор, где при большой дистанции напыления 120 мм, формирование покрытия происходит из начавших затвердевать частиц (рис. 6, режим №8) со средним размером частиц 270 мкм, имеющих незначительную скорость до 20 м/с.

Таким образом установлена возможность управления пористостью
Ti-покрытий, путем изменения параметров МПН с использованием ПрМ.

Анализ морфологии поверхности Ti-покрытий показал возможность получения плотных покрытий с низкой пористостью рис. 8, а, где покрытие получено на режиме №1 и и высокой до 500мкм пористостью рис. 8, б режим №8.



а б в

Рис. 7 Структуры титановых покрытий:

режим № 4 (а), режим № 7 (б), режим №8 (в).


Высокая пористость Ti-покрытий на деталях эндопротезов способствует прорастанию сосудов в поры покрытия, вокруг которых будет образовываться костная ткань, что положительно влияет на закрепление и остеоинтеграцию эндопротезов в организме человека.




а б

Рис. 8. Морфология Ti-покрытий при увеличении х20
с низкой пористостью (а) и высокой пористостью (б)


Исследование фигуры металлизации для МПН с использованием ПрМ показало, что при напылении покрытия из NiCr наблюдается изотропность геометрических свойств пятна напыления во всех направлениях в плоскости напыляемого изделия вне зависимости от параметров процесса напыления. Диаметр пятна напыления составляет 5…10 мм. При этом профиль фигуры металлизации описывается распределением Гаусса с высокой точностью (коэффициент корреляции 0,922…0,994).

Установлено, что угол раскрытия микроплазменной струи при напылении из NiCr-проволоки диаметром 0,3 мм находится в пределах 4,6º…9,4º. Полученные результаты гораздо ниже значений, приводимых в литературе для турбулентных струй, и приближаются к значениям для ламинарных плазменных струй, что вероятно связано с наличием обжимающей струи защитного газа.

Исследования фазового состава покрытий показали, что для W-покрытия наблюдается только одна фаза – W. В покрытии NiCr присутствуют фазы NiCr, NiO, NiCr2O4. Ti-покрытие содержит фазы – Ti, оксиды и нитриды титана. Содержание оксидов и нитридов зависит от дистанции напыления и размера напыляемых частиц. Чем больше дистанция напыления и мельче частицы, тем больше содержание оксидов и нитридов в покрытии. Так на режимах №№ 1, 3, 5, 7 при максимальной дистанции наблюдается повышенное содержание оксидов и нитридов (О2 - 1,6…2,8%, N2 – 1,1…2,8%), а на режимах
№№ 2, 4, 6, 8 их пониженное содержание (О2 - 0,88…1,1%, N2 – 0,57…1,0%).

Исследование микротвёрдости показало, что её величина связана с содержанием в покрытии оксидов и нитридов. Максимальное значение микротвёрдости Ti-покрытия наблюдается в случае режима №1
HV0,025 = 550±90, минимальное при режиме №8 HV0,025 = 320±90.

^ В шестом разделе на основании требований, предъявляемых к биосовместимым покрытиям на эндопротезах и результатов проведенных исследований разработана технология микроплазменного проволочного напыления биосовместимого Ti-покрытия с управляемой пористостью.

К биосовместимым покрытиям на эндопротезах предъявляются следующие требования: толщина покрытия 300…500 мкм, величина пор 150…300 мкм, прочность сцепления покрытий с основой согласно стандарту ISO 13779-2 – не менее 15 МПа, пористость до 50%, шероховатость Ra – 150…300 мкм

Исследования структуры и морфологии поверхности Ti-покрытий показали, что этим требованиям удовлетворяют покрытия, полученные при режиме №8 (рис. 7 в и рис.8 б), со следующими параметрами процесса напыления: рабочий ток – 16 А; расход плазмообразующего газа – 140 л/ч; дистанция напыления – 40 мм; скорость подачи проволоки – 3 м/мин.

Установлено, что прочность сцепления пористых Ti-покрытий с основой, полученных по разработанной технологии проволочного МПН, соответствует требованиям, предъявляемым к покрытиям на имплантатах, (25,6±4,6МПа при испытании на сдвиг и 24,2±3,5 МПА при испытании на отрыв).

Проведенное в Институте химии высокомолекулярных соединений НАНУ, токсиколого-гигиенические исследование Ti-покрытия дало положительные результаты. Испытания биосовместимости Ti-покрытий с величиной пор 300мкм «in-vivo» показали, что после 90 - и 180 - суточного пребывания образцов в кости организма кроликов они обладают наибольшей прочностью сцепления с костной тканью (6,18 МПа) по сравнению с покрытием из припеченных титановых шариков диаметром 300мкм (1,97 МПа), образцами со струйноабразивной обработкой (0,05 МПа) и полированной нержавеющей сталью (0,017 МПа).

На основании обобщения полученных экспериментальных результатов, разработаны технологические рекомендации по нанесению Ti-покрытий на разные типы эндопротезов. С использованием данных рекомендаций проведено нанесение биосовместимых Ti-покрытий на тазобедренные эндопротезы, имплантаты для межтелового спондилодеза, дентальные имплантаты и ряд других медицинских изделий.

  1   2



Разместите кнопку на своём сайте:
Документы




База данных защищена авторским правом ©kiev.convdocs.org 2000-2013
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Похожие:
Документы