PERSPECTIVE DIRECTIONS OF IMPROVEMENT OF PLASMA SPRAYING TECHNOLOGY WITH P ULSE MODULATION OF THE ARC CURRENT
Abstract and keywords
Abstract (English):
The directions of research in the development of the process of plasma spraying of material are substantiated. The theoretical basis for improving the technology of plasma spraying.

Keywords:
PLASMA SPRAYING, CURRENT MODULATION, COATING PROPERTIES
Text
Publication text (PDF): Read Download

1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы

Существенным недостатком традиционных установок для плазменного напыления является то, что в них используются дорогие и дефицитные плазмообразующие газы, такие как аргон, водород, гелий, азот и их смеси. Там же, где не требуется высокой химической чистоты покрытий, практический интерес вызывает использование в качестве плазмообразующего газа воздуха. При этом для снижения количества окислов в покрытии и повышения энтальпии плазменной струи используют газовоздушные смеси с добавлением в воздух пропана или природного газа.

Таким образом, актуальной задачей является усовершенствование установок плазменного напыления, работающих на дешевых плазмообразующих газах – воздухе и его смесях с различными присадками. Перспективными способами усовершенствования плазменного напыления являются динамизация газодинамических процессов модуляцией мощности дуги плазмотрона [1, 2], мощное акустическое воздействие на дугу и струю внешними источниками [3-5] и их сочетание с добавлением в плазмообразующий газ различных присадок.

В связи с этим актуальным является разработка электродуговых воздушно-плаз­менных установок с модулятором тока дуги плазмотрона.

Известно, что на энергообмен в системе «дуга – плазменная струя – обрабатываемый материал» можно влиять воздействием на дугу или плазменную струю мощным воздействием акустического поля генерацией ударных волн [3-9]. При этом источником энергии для этого может служить либо сама дуга, горящая в режиме модуляции источника питания, либо источник внешнего воздействия (генератор акустического поля). В отличие от акустического внешнего поля использование динамизации газодинамических процессов в двухфазном плазменном потоке с помощью модулятора мощности электрической дуги плазмотрона позволяет проще реализовать эффективное воздействие на поток без изменения конструкции плазмотрона, а также усилить воздействие на поток при генерации ударных волн.

При акустическом воздействии на дугу плазмотрона и плазменную струю интенсивностью более 150 Дб усиливается энергообмен в общей системе «дуга – плазмообразующий газ – обрабатываемый материал», так как турбулизация течения способствует увеличению коэффициента теплоотдачи к обрабатываемому материалу [3-5]. Последнее повышает производительность процесса и делает его более экономичным. При обработке дисперсного материала (для плазменного напыления) дополнительно возможно трехкратное увеличение коэффициента лобового сопротивления напыляемых частиц [6] и, вследствие этого, их скорости. Помимо этого, при воздействии на плазменную струю мощным акустическим полем возможна интенсификация дробления напыляемых частиц [7]. В результате дробления образуются менее инерционные мелкие частицы, которые легче нагреваются и ускоряются. Все это приводит к повышению качества покрытия и эффективности процесса.

Ударно-волновое воздействие на электрическую дугу плазмотрона и плазменную двухфазную струю позволяет дополнительно в сравнении с акустическим случаем повысить энергообмен между дугой и дисперсным материалом (частицами). Этому способствует скачкообразное усиление температуры и давления с плотностью на фронте ударной волны и дополнительно, при наличии присадок в плазменной струе, приводить к экзотермическому увеличению энергии в плазменной струе (температуре, давлению и скорости) и к детонационному горению с усиленным ударным воздействием [1, 8]. В работе [9] приводятся данные о формировании ударных волн со скоростями, равными 1,7-3,0 чисел Маха, при генерировании импульсов тока с амплитудами тока и напряжения до 10 кА и 3 кВ соответственно при длительностях 50-300 мкс. Это вызывало на фронте ударной волны скачкообразный рост давления в 3,2-10,4 раза, плотности - в 2,4-5,6 раз, температуры – в 1,45-2,76 раз. По оценкам, приведенным в работе [6], это может повысить коэффициент лобового сопротивления дисперсных частиц в плазменной струе в 2-15 раз, что приводит к срыву пограничного слоя с частиц и соответственно – к росту скорости частиц и теплоподводу к ним [10].

При генерации ударных волн в плазменной струе с помощью дуги (точнее, с помощью импульсного модулятора тока дуги) резкое изменение электрической мощности дуги вызывает резкое выделение джоулева тепла в самой дуге [13-15]. Поскольку поверхность дуги свободна, то интенсивное выделение в ней тепла вызывает резкое расширение дугового столба, который как поршень толкает окружающий его плазмообразующий газ («тепловое давление»). Это позволяет при однополярной импульсной модуляции регулировать тепловой коэффициент нагрева плазменной струи в пре делах ± 20 % ‚а эрозию электродов – в пределах одного порядка [12].

Использование однополярной импульсной модуляции при плазменном напылении позволяет повысить твердость покрытия на 55 ... 60 %, прочность сцепления его с основой при напылении порошка – на 15 ... 40 % и понизить газопроницаемость покрытия на порядок [13].

В результате повышается эффективность плазменной обработки материалов с помощью интенсивного волнового воздействия на плазменную струю и более рационально используется энергия дуги. Однако в этом процессе исследована только часть аспектов плазменной обработки материалов при однополярной модуляции.

Важный интерес вызывает также повышение эффективности процесса плазменной наплавки с помощью модуляции мощности выносной дуги плазмотрона и гибридного процесса плазменного напыления – наплавки [16]. Покрытия, эксплуатирующиеся в условиях высоких динамических нагрузок, в свою очередь, требуют дополнительного упрочнения, в качестве которого целесообразно в силу достоинств использовать процессы тепло- и элекромеханического упрочнения [17, 18], а для профильных поверхностей – виброабразивное шлифование и / или струйно-динамический способ упрочнения микрошариками [19-21].

References

1. Gutman, B. E. The influence of the modulation of the plasma arc on adhesion and gas permeability of powder coatings / B. E Gutman, M. Kh. Shorshokhov // Physics and chemistry of materials processing. – 1986. – №. 6. – 61-64 p.

2. Kudinov V. V., Ivanov E. M. Plasma by plasma of refractory coatings. – M., Mechanical Engineering, 1975. – 288 p.

3. Lizunkov, T. P. The intensification of plasma spraying when exposed to acoustic and electrical vibrations on a heterogeneous stream / T. P. Lizunkov, V. D. Shimanovich, V. D. Burov // Engineering and Physical Journal, 1965. – T.47. – 12-16 s.

4. Azaronok, V. V. The influence of the external acoustic field ‚on the temperature of the plasma of the arc discharge / V. in Azaronok., N. F. Aleshin, V. A. Gubkevich, T. P. Lizunkov, N. I. Chubrik. V. D. Shimanovich // Engineering and Physical Journal, 1986. – T.51. – M3, 481 – 486 p.

5. Pustovoitenko, A. I. To the assessment of the influence of pulsations of the parameters of heated gas during jet processing of powders / A. I. Pustovoenko, S. A. Panfilov, Yu. V. Tsvetkov // Physics and chemistry of materials processing. 1980. – 151-152 p.

6. Donskoy A. V., Kolognikin V. S. Electric plasma processes and installations in mechanical engineering. – L. : Mechanical Engineering, 1979. – 221 p.

7. Gonopolsky, A. M. The influence of pulsations of plasma flow on the quality of coatings during spraying powder materials. – In the book : The quality and effectiveness of autogenic equipment and processes. Proceedings of VNII AvtoGenmash. – M. : 1981. – 33-41 p.

8. Borshorov, M. Kh., Physico-mechanical foundations of detonation spraying of coatings / M. Kh. Borshorov, Yu. A. Kharlamov. – M. : Nauka, 1987. – 234 p.

9. Minko, L. Ya. Receiving and studying pulsed plasma currents. – Minsk : Science and technology. 1970. – 184 p.

10. Ranger A. A., Nichollos. A. A. Aerodynamic Shattering of Liquind Drops Aiaa Joirnal V.7, № 2. 1969. Pp. 285-290.

11. Raiser, Yu. P. Physics of the gas discharge. – M. : Nauka, 1987 – 692 p.

12. Gutman, B. E. The influence of the modulation of the plasma arc on some parameters of the stirring technology // welding production. – 1984. – № – 9 – 17-19 p.

13. Shorshorov, M. Kh. The influence of the modulation of the plasma arc on the structure of coatings / M H. Shorshorov, R. M. Volkova, V. P. Bozhenov, B. E. Gutman // Physics and chemistry of materials processing. – 1987. – №. 6. – 65-68 p.

14. Kadyrmetov, A. M. The intensification of energy exchange in the heterogeneous plasma stream during the modulation of the electrical parameters of the plasma spraying process / A. M. Kadirmetov // Engineering and Physical Journal. – 2013. – T. 86. – №. 4. – S. 739-746.

15. A. p. 1774828 USSR, MKI (5) H 05 B 7 / 18, H 05 H 1 / 00. The method of applying the coating and the device for its implementation / A. P. Lukyanchuk, A. M. Kadirmetov, B. A. Kaiser, D. I. Stanchev (USSR) – № 4908035 / 07 ; Declared. 08.08.91.

16. Sosnin, N. A. Plasma technologies : Guide for engineers / N. A. Sosnin, S. A. Ermakov, P. A. Topolyansky. – St. Petersburg: Publishing House Polytechnic. University, 2008. – 406 p.

17. Levin, E. L. Thermomechanical strengthening of the details when restoring surfaces / E. L. Levin, I. S. Sinyagovsky, G. S. Trofimov – M. : Kolos, 1974 – 160 p.

18. Bagmuts, V. P. Electromechanical processing: technological and physical foundations, properties, implementation / V. P. Bagmutov, S. N. Parshev, N. G. Dudkin, I. N. Zakharov. – Novosibirsk : Science, 2003. – 318 p.

19. Sukhachev, G. A. Vibration grinding of the heat-protective coating of the surfaces of the part of the industry / G. A. Sukhachev, A. V. Levchenko // Technology. Engineering Technology : Scientific and Technology. Sat. – M. : Mechanical Engineering, 1991. – Issue. 3. – S. 15-18.

20. Smolentsev, V. P. Formation of surfaces of contact and combined processing / V. P. Smolentsev, G. A. Sukhochev, A. V. Bondar // Third International Scientific and Technical Conference on the topic : “The influence of technology on the state of the surface layer – PS 96 ". – GZHOV, Poland, 1996. – S. 171-181.

21. Sukhochev, G. A. Management of the quality of products working in extreme conditions under non-stationary influences. – M. : Engineering, 2004. – 287 p.

22. Kadirmetov, A. M. Equipment for plasma application and hardening of coatings with modulation of electrical parameters / A. M. Kadirmetov, D. I. Stanshev, G. A. Sukhochev // strengthening technologies and coating. – 2010. – № 11 (71). – S. 41-48.

23. Zarodi, M. E. Electric arc discharge in the channel: Author of Dis ... Dr. Techno. sciences. M., 1971. – 425.

24. PAT. 2029308 (Russia), MKI (6) G 01 P 5 / 00. A way to determine the flow rate and the device for its implementation / A. M. Kadirmetov, D. I. Stanshev, Yu. P. Zemskov, A. P. Lukyanchuk, A. V. Kuznetsov ; The applicant and patent holder of the Voroja. Forestry. Inst. – № 5020052 / 10 ; Declared. 03/03/92 ; Publ. 02.20.95, Bul. № 5. – 7 p.

25. Pat. 2063638 (Russia), MKI (6) G 01 P 5 / 18. A device for determining the speeds of a two phase flow / A. M. Kadirmetov, V. I. Smotyev, D. I. Stanchev, A. P. Lukyanschuk ; The applicant and patent holder Voronezh. Forestry. Inst. – № 93031664 / 28 ; Declared. 06.15.93 ; Publ. 07.10.96, Bul. № 19. – 7 p.

26. Kadirmetov, A. M. Study of plasma spraying technology in conditions of modulation of thermophysical flow parameters using the optical diagnosis of the characteristics of the dispersed phase of the pomp [Electronic resource] / A. M. Kadirmetov, I. P. Gulyaev, A. V. Dolmatov, in . I. Kuzmin, E. V. Venatkov, A. S. Pustovalov // Voronezh Scientific and Technical Bulletin. – 2016. – № 2 (16). – S. 16-23. – Access mode: http://vestnikvglta.ru/arhiv/2016/2/3_2_16_2016.pdf.

27. Khasui A., Morigaki O. surfacing and spraying. Khasui A. – M. : Mechanical Engineering, 1985. – 240 p.

28. Tushinsky, L. I. Methods of research of materials: structure, properties and processes of applying inorganic coatings / L. I. Tushinsky, A. V. Kloorov, A. O. Tokarev, V. I. Sindeev. – M. : Mir, 2004. – 284 p.


Login or Create
* Forgot password?