СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СОСТАВА ПРОВОЛОК ДЛЯ ДУГОВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ЖАРОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ НЕЙРОСЕТЕВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
|
Актуальность темы исследования. В различных отраслях промышленности есть потребность в защите узлов оборудования от высокотемпературной коррозии, эффективно удовлетворить которую можно при нанесении защитных покрытий методами газотермического напыления. В частности в современной энергетике актуальны проблемы коррозии поверхностей нагрева котлов тепловых электростанций, таких как трубы топочных экранов и пароперегревателей, эксплуатирующихся при температурах до 700°С и контактирующих с агрессивными фракциями летучей золы, движущимися с высокой скоростью в дымовых газах.
Специфика узлов, подверженных высокотемпературной коррозии, а именно сложная форма, большие габариты и масса, высокие ежедневные убытки от ремонтных простоев, определяют необходимость проведения работ в монтажных условиях в минимальные сроки и по приемлемой стоимости. Выполнение этих требований возможно при напылении жаростойких покрытий из экономнолегированных порошковых проволок (ПП) с помощью производительного мобильного оборудования дуговой металлизации (ДМ).
Анализом свойств материалов для напыления и покрытий из них занимались Г.В. Бобров, Ю.С. Борисов, В.В. Кудинов, В.И. Похмурский, W. ТШшапп, В. Vielage и др.
Однако в настоящее время в России отсутствуют проволоки для металлизации покрытий с необходимой жаростойкостью. Анализ проведенных ранее исследований показал, что применяемые проволоки не удовлетворяют потребителей по критерию «цена - качество». В них или избыточное содержание легирующих элементов, приводящее к увеличению стоимости нанесения покрытия, или недостаточное, что приводит к снижению жаростойкости покрытия.
Сложность разработки ПП обусловлена особенностями процесса ДМ, где большое количество входных параметров (таких как состав проволоки, особенности ее плавления и взаимодействия расплавленного металла с газами атмосферы) влияет на изменение выходных параметров (таких как химический состав покрытия и его свойства) в сравнении с исходным металлом. Для изучения этих взаимосвязей удобно использовать такой инструмент, как нейросетевое моделирование (НСМ), позволяющее прогнозировать химический состав покрытия и его свойства на основе статистической обработки имеющихся экспериментальных данных.
Целью работы являлась разработка ИИ оптимального состава по критерию, отражающему максимальную жаростойкость наносимых покрытий на основе НСМ процесса окисления компонентов ПП при ДМ, технологии их изготовления и применения при нанесении жаростойких покрытий.
Для достижения намеченной цели в процессе выполнения работы решались следующие задачи:
- разработать НСМ процесса окисления покрытия при его напылении из ПП методом ДМ и оценить адекватность ее применения для прогнозирования химического состава и степени окисления ДМ-покрытий.
- установить закономерности влияния режимов ДМ и состава ПП на степень окисления получаемых покрытий и произвести их оптимизацию по критерию, отражающему максимальную жаростойкость покрытий.
- исследовать зависимость физико-механических и служебных свойств ДМ- покрытий из ПП от степени их окисления.
- разработать технологию изготовления ПП и базовую технологию нанесения из них жаростойких ДМ-покрытий на узлы энергетического оборудования, работающего в условиях коррозии при высоких температурах и воздействии агрессивных сред.
Методы исследования
В исследовании использованы расчеты по разработанной НСМ, оптимизация полученных результатов расчетов и экспериментальные исследования покрытий. Расчеты по НСМ и оптимизация выполнены в пакете 8ТАТ18Т1СА 6.1, экспериментальные исследования включали элементный анализ, сканирующую электронную микроскопию, рентгеноструктурный фазовый анализ, рентгеновский волнодисперсионный и энергодисперсионный микроанализ, гидростатическое взвешивание, механические испытания по определению адгезионной прочности и термогравиметрический анализ покрытий.
Научная новизна работы
- разработана НСМ процесса окисления металла НН при их распылении ДМ, которая позволила обеспечить адекватность прогноза химического состава и степени окисления ДМ-покрытий в характерном диапазоне легирования НН для нанесения жаростйких покрытий;
- на основе НСМ по критерию минимального окисления покрытия при напылении оптимизирована система легирования ПН типа Бе-Сг-А1-81-Т1-У и технологические параметры процесса ДМ;
- установлена зависимость физико-механических и служебных свойств ДМ- покрытий из усовершенствованных НН, а именно, адгезионной прочности, пористости, жаростойкости, от их степени окисления.
Практическая значимость работы
На основе созданной НСМ разработан программный комплекс, позволяющий оптимизировать состав ДМ-покрытий из порошковых проволок по критерию минимальной степени окисления. С применением указанного программного комплекса разработана система легирования НН, металлизационные покрытия из которой имеют жаростойкость одного уровня с аустенитными сталями, такими как 12Х18Н12Т и 20Х23Н18 и на порядок выше в сравнении с феррито-перлитными и мартенситно-ферритными сталями, такими как 12Х1МФ и 1Х12В2МФ, широко используемыми в котлостроении. Пористость покрытий из разработанной НН сопоставима, а адгезионная прочность покрытий выше, чем у покрытий из порошковых проволок аналогичного назначения. На состав НН, разработанной на основе проведенных исследований, подана заявка на патент России от 19.01.2012 номер 2012101882, по которой получено положительное решение, разработана технология ее изготовления и технические условия, устанавливающие требования, которым должна удовлетворять НН и наносимые из нее ДМ-покрытия. Применительно к характерным узлам ТЭС, работающим в условиях высокотемпературной коррозии, разработана технология нанесения покрытий из указанной НН, по которой изготовлены опытные детали, проходящие в настоящее время испытания.
Основные положения, выносимые на защиту:
- НСМ процесса окисления металла НН при их распылении ДМ, позволяющая прогнозировать состав и свойства покрытий, напыленных из НН в зависимости от исходного состава проволоки и параметров процесса напыления;
- результаты исследования и анализа зависимости физико-механических и служебных свойств ДМ-покрытий из НН от степени их окисления;
- методика изготовления НН, обеспечивающая получение необходимого химического состава напыленного покрытия при использовании различных шихтовых материалов.
Степень достоверности и апробация результатов
Степень достоверности результатов моделирования подтверждается достаточной для цели исследования точностью расчетов в сопоставлении с экспериментальными данными по изучению структуры и свойств покрытий, полученными при использовании поверенного современного аналитического оборудования и методик в аттестованных лабораториях.
Основные результаты исследования были доложены и обсуждены на региональных, всероссийских и международных конференциях по вопросам сварки и родственных технологий: 9, 11, 12 конференции в рамках специализированной выставки «Сварка. Контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2009, 2011, 2012); 14 Международной конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (Санкт- Петербург, 2012); XIII Международной уральской школы-семинара молодых ученых- металловедов (Екатеринбург, 2012); XXV International Conference on Surface Modification Technologies (Sweden, 2011); International Thermal Spray Conference & Exposition (USA, 2012); 5th International Conference on Thermal Process Modeling and Computer Simulation (USA, 2014).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 5 публикаций в журналах, рекомендованных ВАК, 1 индексируемая в системе Web of Science.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по каждой главе и общих выводов по работе, библиографического списка из наименований и приложения. Работа изложена на 127 страницах печатного текста, включает 23 рисунка, 27 таблиц.
Специфика узлов, подверженных высокотемпературной коррозии, а именно сложная форма, большие габариты и масса, высокие ежедневные убытки от ремонтных простоев, определяют необходимость проведения работ в монтажных условиях в минимальные сроки и по приемлемой стоимости. Выполнение этих требований возможно при напылении жаростойких покрытий из экономнолегированных порошковых проволок (ПП) с помощью производительного мобильного оборудования дуговой металлизации (ДМ).
Анализом свойств материалов для напыления и покрытий из них занимались Г.В. Бобров, Ю.С. Борисов, В.В. Кудинов, В.И. Похмурский, W. ТШшапп, В. Vielage и др.
Однако в настоящее время в России отсутствуют проволоки для металлизации покрытий с необходимой жаростойкостью. Анализ проведенных ранее исследований показал, что применяемые проволоки не удовлетворяют потребителей по критерию «цена - качество». В них или избыточное содержание легирующих элементов, приводящее к увеличению стоимости нанесения покрытия, или недостаточное, что приводит к снижению жаростойкости покрытия.
Сложность разработки ПП обусловлена особенностями процесса ДМ, где большое количество входных параметров (таких как состав проволоки, особенности ее плавления и взаимодействия расплавленного металла с газами атмосферы) влияет на изменение выходных параметров (таких как химический состав покрытия и его свойства) в сравнении с исходным металлом. Для изучения этих взаимосвязей удобно использовать такой инструмент, как нейросетевое моделирование (НСМ), позволяющее прогнозировать химический состав покрытия и его свойства на основе статистической обработки имеющихся экспериментальных данных.
Целью работы являлась разработка ИИ оптимального состава по критерию, отражающему максимальную жаростойкость наносимых покрытий на основе НСМ процесса окисления компонентов ПП при ДМ, технологии их изготовления и применения при нанесении жаростойких покрытий.
Для достижения намеченной цели в процессе выполнения работы решались следующие задачи:
- разработать НСМ процесса окисления покрытия при его напылении из ПП методом ДМ и оценить адекватность ее применения для прогнозирования химического состава и степени окисления ДМ-покрытий.
- установить закономерности влияния режимов ДМ и состава ПП на степень окисления получаемых покрытий и произвести их оптимизацию по критерию, отражающему максимальную жаростойкость покрытий.
- исследовать зависимость физико-механических и служебных свойств ДМ- покрытий из ПП от степени их окисления.
- разработать технологию изготовления ПП и базовую технологию нанесения из них жаростойких ДМ-покрытий на узлы энергетического оборудования, работающего в условиях коррозии при высоких температурах и воздействии агрессивных сред.
Методы исследования
В исследовании использованы расчеты по разработанной НСМ, оптимизация полученных результатов расчетов и экспериментальные исследования покрытий. Расчеты по НСМ и оптимизация выполнены в пакете 8ТАТ18Т1СА 6.1, экспериментальные исследования включали элементный анализ, сканирующую электронную микроскопию, рентгеноструктурный фазовый анализ, рентгеновский волнодисперсионный и энергодисперсионный микроанализ, гидростатическое взвешивание, механические испытания по определению адгезионной прочности и термогравиметрический анализ покрытий.
Научная новизна работы
- разработана НСМ процесса окисления металла НН при их распылении ДМ, которая позволила обеспечить адекватность прогноза химического состава и степени окисления ДМ-покрытий в характерном диапазоне легирования НН для нанесения жаростйких покрытий;
- на основе НСМ по критерию минимального окисления покрытия при напылении оптимизирована система легирования ПН типа Бе-Сг-А1-81-Т1-У и технологические параметры процесса ДМ;
- установлена зависимость физико-механических и служебных свойств ДМ- покрытий из усовершенствованных НН, а именно, адгезионной прочности, пористости, жаростойкости, от их степени окисления.
Практическая значимость работы
На основе созданной НСМ разработан программный комплекс, позволяющий оптимизировать состав ДМ-покрытий из порошковых проволок по критерию минимальной степени окисления. С применением указанного программного комплекса разработана система легирования НН, металлизационные покрытия из которой имеют жаростойкость одного уровня с аустенитными сталями, такими как 12Х18Н12Т и 20Х23Н18 и на порядок выше в сравнении с феррито-перлитными и мартенситно-ферритными сталями, такими как 12Х1МФ и 1Х12В2МФ, широко используемыми в котлостроении. Пористость покрытий из разработанной НН сопоставима, а адгезионная прочность покрытий выше, чем у покрытий из порошковых проволок аналогичного назначения. На состав НН, разработанной на основе проведенных исследований, подана заявка на патент России от 19.01.2012 номер 2012101882, по которой получено положительное решение, разработана технология ее изготовления и технические условия, устанавливающие требования, которым должна удовлетворять НН и наносимые из нее ДМ-покрытия. Применительно к характерным узлам ТЭС, работающим в условиях высокотемпературной коррозии, разработана технология нанесения покрытий из указанной НН, по которой изготовлены опытные детали, проходящие в настоящее время испытания.
Основные положения, выносимые на защиту:
- НСМ процесса окисления металла НН при их распылении ДМ, позволяющая прогнозировать состав и свойства покрытий, напыленных из НН в зависимости от исходного состава проволоки и параметров процесса напыления;
- результаты исследования и анализа зависимости физико-механических и служебных свойств ДМ-покрытий из НН от степени их окисления;
- методика изготовления НН, обеспечивающая получение необходимого химического состава напыленного покрытия при использовании различных шихтовых материалов.
Степень достоверности и апробация результатов
Степень достоверности результатов моделирования подтверждается достаточной для цели исследования точностью расчетов в сопоставлении с экспериментальными данными по изучению структуры и свойств покрытий, полученными при использовании поверенного современного аналитического оборудования и методик в аттестованных лабораториях.
Основные результаты исследования были доложены и обсуждены на региональных, всероссийских и международных конференциях по вопросам сварки и родственных технологий: 9, 11, 12 конференции в рамках специализированной выставки «Сварка. Контроль и диагностика» (Екатеринбург, 2009, 2011, 2012); 14 Международной конференции «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (Санкт- Петербург, 2012); XIII Международной уральской школы-семинара молодых ученых- металловедов (Екатеринбург, 2012); XXV International Conference on Surface Modification Technologies (Sweden, 2011); International Thermal Spray Conference & Exposition (USA, 2012); 5th International Conference on Thermal Process Modeling and Computer Simulation (USA, 2014).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 5 публикаций в журналах, рекомендованных ВАК, 1 индексируемая в системе Web of Science.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по каждой главе и общих выводов по работе, библиографического списка из наименований и приложения. Работа изложена на 127 страницах печатного текста, включает 23 рисунка, 27 таблиц.
1. На основе разработанной нейросетевой модели процесса окисления НН при их распылении ДМ решена как прямая задача - определен состав покрытия с учетом выгорания легирующих элементов, так и обратная - определена необходимая система легирования порошковых проволок и технологические параметры процесса дуговой металлизации, обеспечивающие минимальное окисление покрытия при напылении. Для характерных областей степени окисления и состава покрытий, нанесенных активированной дуговой металлизацией из порошковых проволок отклонение результатов расчетов по разработанной нейросетевой модели от экспериментальных данных не превышает 8 %
2. Результаты моделирования показывают, что применительно к металлизационным покрытиям из проволок базовой системы легирования Бе-Сг-А1, как сплошных, так и порошковых, происходит снижение степени окисления покрытия в 2,7 раза при уменьшении парциального давления кислорода на срезе сопла в 6 раз. Такое снижение последнего параметра можно получить при использовании активированной дуговой металлизации.
3. На основе анализа результатов расчета при моделировании распространения тепла на торце сплошной и порошковой проволок при металлизации предложено, что для сплошной и порошковой проволоки механизмы повышения степени окисления при росте мощности дуги различны. В случае сплошной проволоки происходит повышение температуры расплавленного металла и увеличение растворимости в нем кислорода, в то время как в случае порошковой - повышение скорости плавления оболочки и выдувание шихты в нерасплавленном виде из зоны горения дуги, что приводит неполному протеканию реакций раскисления. Установлено, что для покрытий из проволок базовой системы легирования Бе-Сг-А1, нанесенных на одинаковых режимах степень окисления покрытия ниже, а содержание легирующих выше в случае использования порошковой проволоки, что вероятно, обусловлено меньшей температурой металла на ее торце.
4. Обосновано, что критерием, отражающим максимальную жаростойкость покрытий, может быть минимальное окисление покрытия при напылении. Но этому критерию оптимизирована система легирования порошковой проволоки Те-Сг-А1-81-Н-¥.
5. Установлено, что введение иттрия порядка 0,5 мас. % в состав шихты порошковой проволоки базовой системы легирования Бе-Сг-А1 приводит к снижению пористости металлизационных покрытий на 14...'18%, в зависимости от метода определения, и увеличению их адгезионной прочности в среднем на 40%. Отличия по пористости и адгезионной прочности покрытий обусловлены большим сродством иттрия к кислороду, что способствует снижению степени окисления частиц распыляемого материала и улучшению условий взаимодействия в контакте «частица-подложка».
6. Показано, что для покрытий базовой системы легирования Бе-Сг-А1, введение титана и кремния значительно замедлить процессы формирования железохромистых карбидов (Те,Сг)?Сз и нитридов алюминия АШ и протекание локальной высокотемпературной коррозии, аналогично Бе-Сг-Л1 сплавам. Для покрытий указанный эффект достигается при введении в состав шихты порошковой проволоки повышенного количества титана и кремния, соответственно в 4,3 и 1,9 раза в сравнении со сплошной проволокой, что связано с условиями их формирования при дуговой металлизации.
7. Жаростойкость покрытий из порошковой проволоки, легированной кремнием, титаном и иттрием, одного уровня с аустенитными сталями, такими как 12Х18Н12Т и 20Х23Н18 и на порядок выше в сравнении с феррито-перлитными и мартенситно- ферритными сталями, такими как 12Х1МФ и 1Х12В2МФ, широко используемыми в котлостроении. Это обусловлено формированием на поверхности покрытий пленки двойных оксидов типа шпинелей БеАкОт
8. Разработана технология изготовления порошковой проволоки системы легирования Бе-Сг-А1-Т1-81-¥ с высоким коэффициентом заполнения из различных шихтовых материалов, позволяющая обеспечить заданный химический состав напыленного покрытия без добавления в шихту железного порошка, добиться снижения количества протяжек, обеспечить однородность шихты по химическому составу и исключить брак в виде дефектов покрытий при напылении. Технология позволяет обеспечить отклонение от заданного значения коэффициента заполнения не более ± 5 %.
9. Разработаны технические условия, устанавливающие технические требования, которым должна удовлетворять порошковая проволока и наносимые из нее металлизационные покрытия.
10. Разработана технология нанесения жаростойких покрытий из порошковой проволоки на трубы змеевиков экономайзеров котлов тепловых электростанций, по которой изготовлена опытная партия узлов. В настоящее время узлы проходят эксплуатационные испытания.
2. Результаты моделирования показывают, что применительно к металлизационным покрытиям из проволок базовой системы легирования Бе-Сг-А1, как сплошных, так и порошковых, происходит снижение степени окисления покрытия в 2,7 раза при уменьшении парциального давления кислорода на срезе сопла в 6 раз. Такое снижение последнего параметра можно получить при использовании активированной дуговой металлизации.
3. На основе анализа результатов расчета при моделировании распространения тепла на торце сплошной и порошковой проволок при металлизации предложено, что для сплошной и порошковой проволоки механизмы повышения степени окисления при росте мощности дуги различны. В случае сплошной проволоки происходит повышение температуры расплавленного металла и увеличение растворимости в нем кислорода, в то время как в случае порошковой - повышение скорости плавления оболочки и выдувание шихты в нерасплавленном виде из зоны горения дуги, что приводит неполному протеканию реакций раскисления. Установлено, что для покрытий из проволок базовой системы легирования Бе-Сг-А1, нанесенных на одинаковых режимах степень окисления покрытия ниже, а содержание легирующих выше в случае использования порошковой проволоки, что вероятно, обусловлено меньшей температурой металла на ее торце.
4. Обосновано, что критерием, отражающим максимальную жаростойкость покрытий, может быть минимальное окисление покрытия при напылении. Но этому критерию оптимизирована система легирования порошковой проволоки Те-Сг-А1-81-Н-¥.
5. Установлено, что введение иттрия порядка 0,5 мас. % в состав шихты порошковой проволоки базовой системы легирования Бе-Сг-А1 приводит к снижению пористости металлизационных покрытий на 14...'18%, в зависимости от метода определения, и увеличению их адгезионной прочности в среднем на 40%. Отличия по пористости и адгезионной прочности покрытий обусловлены большим сродством иттрия к кислороду, что способствует снижению степени окисления частиц распыляемого материала и улучшению условий взаимодействия в контакте «частица-подложка».
6. Показано, что для покрытий базовой системы легирования Бе-Сг-А1, введение титана и кремния значительно замедлить процессы формирования железохромистых карбидов (Те,Сг)?Сз и нитридов алюминия АШ и протекание локальной высокотемпературной коррозии, аналогично Бе-Сг-Л1 сплавам. Для покрытий указанный эффект достигается при введении в состав шихты порошковой проволоки повышенного количества титана и кремния, соответственно в 4,3 и 1,9 раза в сравнении со сплошной проволокой, что связано с условиями их формирования при дуговой металлизации.
7. Жаростойкость покрытий из порошковой проволоки, легированной кремнием, титаном и иттрием, одного уровня с аустенитными сталями, такими как 12Х18Н12Т и 20Х23Н18 и на порядок выше в сравнении с феррито-перлитными и мартенситно- ферритными сталями, такими как 12Х1МФ и 1Х12В2МФ, широко используемыми в котлостроении. Это обусловлено формированием на поверхности покрытий пленки двойных оксидов типа шпинелей БеАкОт
8. Разработана технология изготовления порошковой проволоки системы легирования Бе-Сг-А1-Т1-81-¥ с высоким коэффициентом заполнения из различных шихтовых материалов, позволяющая обеспечить заданный химический состав напыленного покрытия без добавления в шихту железного порошка, добиться снижения количества протяжек, обеспечить однородность шихты по химическому составу и исключить брак в виде дефектов покрытий при напылении. Технология позволяет обеспечить отклонение от заданного значения коэффициента заполнения не более ± 5 %.
9. Разработаны технические условия, устанавливающие технические требования, которым должна удовлетворять порошковая проволока и наносимые из нее металлизационные покрытия.
10. Разработана технология нанесения жаростойких покрытий из порошковой проволоки на трубы змеевиков экономайзеров котлов тепловых электростанций, по которой изготовлена опытная партия узлов. В настоящее время узлы проходят эксплуатационные испытания.