авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Научно-технологические основы создания защитных покрытий из композиционных механоактивированных свс-материалов методом детонационно-газового напыления

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЯКОВЛЕВ ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ

НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫХ СВС-МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ДЕТОНАЦИОННО-ГАЗОВОГО НАПЫЛЕНИЯ

Специальность: 05.03.06 – Технологии и машины сварочного производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Барнаул2008 г.

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Радченко Михаил Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Марков Василий Алексеевич

доктор технических наук, профессор

Филонов Михаил Рудольфович

доктор технических наук, профессор

Первухин Леонид Борисович

Ведущая организация:

Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов ЦНИИ КМ “Прометей”, г. Санкт-Петербург

Защита состоится «26» декабря 2008 г. в « » часов

на заседании диссертационного совета Д 212.004.01 при Алтайском

государственном техническом университете им. И.И. Ползунова,

по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова

Автореферат разослан «___»__________2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент Ю.О. Шевцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Использование износостойких, коррозионностойких, жаростойких, химически стойких, электроизоляционных, теплоизоляционных и других видов защитных покрытий деталей и узлов машин, различного рода рабочих поверхностей, позволяет сократить потери металлов, расход ресурсов на их возмещение и дает возможность повысить качество, надежность машин, сроки эксплуатации оборудования. Большое распространение в настоящее время получают методы нанесения покрытий напылением. Газотермические методы нанесения покрытий отличаются от других методов, например - испарения и конденсации в вакууме, прежде всего, высокими скоростями, температурами процесса (электродуговое, плазменное и детонационное напыление) и значительными скоростями роста пленки напыляемого материала. Процесс детонационно–газового напыления (ДГН) является энергоэкономным, импульсным, использующим для нагрева и разгона частиц напыляемого материала реакцию детонирующих газов в ударной трубе.

Большой вклад в развитие технического применения детонации был внесен рядом научных коллективов, фундаментальные работы в нашей стране принадлежат научной школе академика Лаврентьева М.А., (М.Е. Топчиян, В.В. Митрофанов, А.А. Васильев, Т.П. Гавриленко, Ю. А. Николаев, В.Ю. Ульяницкий, и др.).

В отличие от других методов нанесения покрытий, процесс ДГН является импульсным. Частота работы установки напыления обычно составляет 4 - 5 циклов в сек., т.е. продолжительность цикла напыления составляет, 0,2 - 0,25 с., время формирования структуры материала покрытия массой 20-40 миллиграмм из порошка дисперсностью порядка 100 мкм – 4*10-3 секунды на площади около 2 см2. При этом возникающие из-за ударно-волнового характера протекания процесса высокие контактные давления позволяют наносить компактные материалы.





Значительный прогресс в отношении повышения качества покрытий связан с использованием в процессе напыления композиционных материалов, обладающих комплексом особых, взаимодополняющих физико-химических свойств, что позволяет получать покрытия многофункционального назначения.

Наиболее перспективными композиционными материалами являются дисперсно - упрочненные. Структура их представляет собой матрицу из металла или сплава, в объеме которой равномерно распределена упрочняющая фаза. В качестве этой фазы целесообразно применять термодинамические стабильные соединения – оксиды, карбиды, нитриды, бориды, интерметаллиды, получение многих этих соединений в настоящее время осуществляется методом высокотемпературного синтеза.

Научный интерес представляют процессы, основанные на реакционном механическом легировании, в котором взаимодействие между компонентами и образование упрочняющих фаз происходит на стадии обработки порошковой смеси в механоактиваторе. В результате механического воздействия локальных микрообъёмов твёрдого тела возникают внутренние напряжения, релаксация которых зависит от свойств веществ и условий нагружения. Согласно существующим теориям в механохимии инициирование механохимических превращений обеспечивается теплом, выделяющимся при обработке композиции, энергией дислокаций при пластической деформации материалов, высвобождением упругой энергии аккумулированной в твёрдом теле, наличием многочисленных межфазных границ. Базой для развития технологий получения дисперсно-упрочненных материалов являются работы научной школы академика Болдырева В.В., (Ляхов Н.З., Ломовский О. И., Корчагин М.А. и др.) Процесс механического легирования характеризуется высокой универсальностью, область его использовании, а так же спектр создаваемых материалов постоянно расширяется. Механическое легирование является малоотходной экологически безопасной технологией, занимающей промежуточное положение между металлургическими и химическими процессами. Посредством механического легирования удается значительно расширить пределы растворимости легирующего материала в матрице, синтезировать неравновесные и метастабильные кристаллические фазы. В начале 90-х годов, комбинацией процесса механического легирования и низкотемпературного отжига были получены материалы с наноструктурой.

Производство композиционных материалов с оптимальными комплексами эффективных свойств предполагает развитие технологических процессов нового уровня – интегральных технологий, основными чертами которых являются сокращение количества основных операций, обеспечивающих за цикл полный переход исходных материалов в целевой продукт с их глубоким переделом, при котором происходят радикальные изменения структуры и свойств материала.

Процессом, обладающим значительным потенциалом в получении новых материалов в т.ч. для создания защитных покрытий,, является также самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), открытый академиком РАН А.Г. Мержановым и его научной школой. Большой вклад в развитие этого метода внесли коллективы профессоров Левашова Е.А., Максимова Ю.М., Амосова А.П., Юхвида В.И., Евстигнеева В.В. и др. Метод отличается низкими энергозатратами, простотой и надежностью оборудования, чистотой синтезированного продукта. В настоящее время этим методом синтезировано свыше тысячи бинарных и многокомпонентных соединений. СВС характеризуется такой уникальной особенностью, как существование в течение протекания взаимодействия высокотемпературной твердо-жидкой среды, допускающей различные типы дополнительных внешних воздействий, посредством которых возможно регулирование структуры и свойств продуктов.

Таким образом, одним из принципиальных новых направлений в получении защитных покрытий может являться использование предварительно механоактивированных композиционных материалов в процессах высокотемпературного синтеза, а также применение композитов, содержащих в объеме матрицы наноразмерные синтезированные включения, в процессах детонационного напыления. Объединение СВС, ДГН и механохимии в единую интегральную технологию, имеет определенные перспективы в плане развития нанотехнологий.

Актуальность данной работы подтверждается тем, что исследования по детонационному напылению выполнялись автором с 1983 года и по настоящее время в рамках целого ряда хоз.договоров, а также последних научно-технических программ: «Интеграция науки и высшего образования России на 2002 – 2006 годы» по государственному контракту № Ч0007/1327, по программе Министерства образования РФ: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», раздел: 202.05 «функциональные порошковые материалы», проект 202.05.01.10, региональной научно-технической программе «Алтай», номер государственной регистрации проекта 01.200.301687№3902, инв № 02.20.0300808, «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» государственный контракт № 02.513.11.3365

Цель работы - развитие теории и практики создания защитных детонационных покрытий из механоактивированных композиционных систем (МАС) с комплексом повышенных эксплуатационных свойств.

Для достижения поставленной цели в работе решались задачи:

  1. Построение опытно-экспериментального комплекса для детонационного напыления покрытий и проектирование модульной конструкции детонационной камеры для физических исследований процесса и оценки влияния геометрической конфигурации трубы на характеристики потока.
  1. Создание экспериментальных методов и компьютерных приборов для диагностики в реальном времени конденсированной дисперсной среды в сверхзвуковых двухфазных потоках в процессах получения защитных покрытий из новых материалов и в интегральных технологиях высокотемпературного синтеза в МАС.
  2. Получение детонационных покрытий из МАС и выявление закономерностей изменения свойств СВС-композитов от воздействия импульсных потоков низкотемпературной плазмы.
  3. Исследование эксплуатационных свойств детонационных покрытий из МАС и разработка рекомендаций по применению материалов на ответственных деталях в машиностроении, работающих в условиях трения, повышенных температур и интенсивных динамических нагрузок.

Научная новизна заключается в разработке физических основ энергоэкономичных и экологически безопасных технологий детонационного напыления покрытий из механоактивированных наноструктурированных СВС- композитов, что позволило:

  1. Создать новый класс композиционных материалов для детонационного напыления защитных покрытий, состоящих из металлической матрицы и содержащих в качестве упрочняющей дисперсной фазы равномерно распределенные в объеме синтезированные наноразмерные (величина зерна порядка 15-40 нм.) керамические частицы, и разработать научные основы получения механохимическим способом многокомпонентных композитов типа: TiC+УДА+Ni-Cr, TiC+WC+Ni-Cr, TiB2+WC+Ni-Cr, TiB2+Cu, TiB2+Ti-Ni, TiB2+Ti-Al3. Впервые установить, что энергия активации реакции высокотемпературного синтеза в механокомпозите в исследованных системах зависит от степени разбавления реагентов металлом матрицы и времени предварительной механоактивации, и является аномально низкой для механоактивированных систем (МАС), при изменении в интервале от 20 кДж/моль до 4,4 кДж/моль. Показать, что реагирование механоактивированных наноструктурных компонентов в металлической матрице проходит не по механизму реакционной диффузии, а по иному механизму: механоактивация снимает диффузионные барьеры и процесс реагирования в МАС носит характер эстафетной СВС-реакции в микрообъемах композита.
  2. Разработать математическую модель теплофизических процессов, происходящих на напыляемой поверхности в получении покрытий в режиме детонационно – газового напыления, позволяющую оценить тепловую динамику при формировании защитного покрытия. Провести исследования процесса детонационного напыления с использованием микротермопарных зондов и установить зависимость температуры напыляемой поверхности от количества циклов напыления.
  3. Заложить основы нового технологического процесса напыления наноструктурированных композиционных защитных покрытий пересжатой детонационной волной. Провести компьютерное моделирование процесса самоорганизации детонации в каналах переменного сечения. Создать макетный образец детонационной камеры и провести физические исследования импульсного давления, скорости истечении продуктов детонации. Разработать комплекс рекомендаций по проектированию детонационной камеры для напыления МАС с повышенными значениями импульсно-скоростных характеристик газового потока.

Впервые предложить новый технологический принцип «холодного» сверхзвукового напыления МАС в ударно-сжатой «инертной» пробке газа, заключающийся в следующем: путем создания в ударной трубе объема газа, не участвующего в детонационном горении создается «инертная» пробка. Ударная волна сжимает покоящийся инертный газ до критического состояния, образуя высокой плотности среду. При этом, при помещении порошковой навеску в область «холодной» ударно-сжатой пробки газа установлено увеличение скорости дисперсной фазы в 2.5 раза, достигающей величины 900 м/с для дисперсного состава порошка, имеющего средний размер частиц порядка 40-60 мкм.

  1. Впервые провести комплексные исследования развития процесса детонационного напыления с использованием скоростной видеосъемки с временным разрешением кадра 35,5 мкс., позволившие регистрировать пространственно-распределенные параметры сверхзвукового потока. В результате программируемой временной задержки экспозиции кадра в периодически воспроизводимом процессе детонационного напыления МАС получены цифровые изображения истечения детонационной струи из сопла в атмосферу. С высоким пространственным разрешением (1200/1024 точки на дюйм) получены видеокадры взаимодействия отдельной частицы конденсированной фазы с преградой при формировании защитного покрытия, что позволило оценить температуру контакта.

Практическая значимость работы заключается, прежде всего, в том, что использование оригинального оборудования для детонационно-газового напыления в составе исследовательского комплекса, а также полученные с его помощью результаты напыления новых материалов являются основой для разработки интегральных технологий высокотемпературного синтеза перспективных материалов, получения функциональных материалов для машиностроения в виде защитных покрытий с уникальными эксплуатационными свойствами. За период двадцатилетней работы по детонационному напылению при личном участии автора были произведены внедрения на предприятиях: «Алтайторг-техника», завод синтетического волокна г. Барнаул, ОАО «Новосибирский завод химконцентратов», ПО «Ростсельмаш» г. Ростов-на-Дону, ООО «Центр развития технологий «Алтай». Соответствующие акты представлены в диссертационной работе.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Метод получения порошковых нанокомпозитов, состоящих из металлической или интерметаллидной матрицы и, содержащих в качестве упрочняющей дисперсной фазы наноразмерные керамические частицы.
  2. Основные закономерности изменения структурно-фазового состава СВС-материалов при предварительной механохимической обработке порошковых смесей реагентов с металлической матрицей.
  3. Математическая модель теплофизических процессов, происходящих на напыляемой поверхности в условиях получения покрытий методом детонационно – газового напыления.
  4. Экспериментальные результаты комплексных исследований защитных покрытий из механоактивированных СВС-композитов.
  5. Новые способы и конструкции устройств, для получения пересжатых детонационных волн.
  6. Математическое, алгоритмическое, программное и аппаратное обеспечение диагностики параметров конденсированных дисперсных сред в процессах детонационного напыления.
  7. Зависимости между параметрами конденсированных дисперсных сред и физико-механическими характеристиками защитных покрытий.
  8. Экспериментальные результаты по диагностике температурно-скоростных параметров конденсированной дисперсной фазы в двухфазном детонационном потоке в реальном времени.
  9. Технологический принцип «холодного» сверхзвукового напыления МАС в ударно-сжатой «инертной» пробке газа
  10. Экспериментальные результаты по исследованию процесса взаимодействия конденсированной фазы с преградой при формировании защитного покрытия из СВС-материалов.

Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается комплексным использованием современных методов исследования, тщательностью проведения эксперимента с оценкой величины погрешности измерения, экспериментальной проверкой теоретических предположений и физических моделей, сопоставлением с результатами, полученными другими авторами, признанием на различных международных и российских конференциях.

Личный вклад автора состоит в определении научного направления исследований, в выполнении основного объема теоретических и экспериментальных исследований, постановке задачи, интерпретации и обобщении полученных результатов, формулировании научных положений и выводов, внедрении практических результатов в промышленность. Результаты исследований получены автором лично или при его непосредственном руководстве.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.