Рассмотрение зависимости энергетических условий взаимодействия напыляемой частицы с подложкой от технологических параметров процесса газотермического напыления
|
Введение
1 Нанесение порошковых покрытий газотермическим напылением
1.1 Общие закономерности процесса газотермического напыления
1.1.2 Материалы, используемые для напыления газотермических
покрытий
1.2 Физический смысл процесса газотермического напыления покрытий
1.2.1 Энергетические условия взаимодействия напыляемой частицы с подложкой при ГТН
1.2.2 Кинетика образования адгезионных связей на границе частица-подложка
1.3 Перспективы развития газотермического напыления покрытий
2 Объекты и методы исследования
2.1 Материалы, применяемые в исследовании
2.2 Компьютерное моделирование
3 Расчет и аналитика
3.1 Предпроектный анализ
3.2 Инициация проекта
3.3 Планирование управления научно-техническим проектом
3.4 Бюджет научного исследования
3.5 Реестр рисков проекта
4 Результаты проведенного исследования
4.1 Реализация численного моделирования для двух сценариев теплового взаимодействия частицы с подложкой
4.1.1 Расчет «горячего слоя» в рамках компьютерного
моделирования
4.2 Результаты расчета энергетических условий в системе «частица- подложка»
4.2.1 Распределение энергии в системе сплэт-подложка в
зависимости от скорости частицы
4.2.2 Распределение энергии в системе сплэт-подложка в
зависимости от температуры подложки
4.2.3 Распределение энергии в системе сплэт-подложка в
зависимости от диаметра частицы
4.3 Результаты расчета энергия активации атомов подложки 3 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение
Заключение и выводы по работе
Список публикаций студента Приложение А «Раздел 1 Литературный обзор»
Приложение Б «Материалы, используемые для напыления газотермических покрытий»
Приложение В Пример расчета в программном комплексе «CRISTALL»
1 Нанесение порошковых покрытий газотермическим напылением
1.1 Общие закономерности процесса газотермического напыления
1.1.2 Материалы, используемые для напыления газотермических
покрытий
1.2 Физический смысл процесса газотермического напыления покрытий
1.2.1 Энергетические условия взаимодействия напыляемой частицы с подложкой при ГТН
1.2.2 Кинетика образования адгезионных связей на границе частица-подложка
1.3 Перспективы развития газотермического напыления покрытий
2 Объекты и методы исследования
2.1 Материалы, применяемые в исследовании
2.2 Компьютерное моделирование
3 Расчет и аналитика
3.1 Предпроектный анализ
3.2 Инициация проекта
3.3 Планирование управления научно-техническим проектом
3.4 Бюджет научного исследования
3.5 Реестр рисков проекта
4 Результаты проведенного исследования
4.1 Реализация численного моделирования для двух сценариев теплового взаимодействия частицы с подложкой
4.1.1 Расчет «горячего слоя» в рамках компьютерного
моделирования
4.2 Результаты расчета энергетических условий в системе «частица- подложка»
4.2.1 Распределение энергии в системе сплэт-подложка в
зависимости от скорости частицы
4.2.2 Распределение энергии в системе сплэт-подложка в
зависимости от температуры подложки
4.2.3 Распределение энергии в системе сплэт-подложка в
зависимости от диаметра частицы
4.3 Результаты расчета энергия активации атомов подложки 3 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение
Заключение и выводы по работе
Список публикаций студента Приложение А «Раздел 1 Литературный обзор»
Приложение Б «Материалы, используемые для напыления газотермических покрытий»
Приложение В Пример расчета в программном комплексе «CRISTALL»
Современное машиностроение предъявляет к материалам особые требования. Практически все детали при их изготовлении включают в себя обязательный этап дополнительной поверхностной обработки. Среди активно используемых технологий упрочнения поверхности методы газотермического напыления покрытий представляют несомненный интерес.
Для реализации функциональных свойств покрытий важным условием является получение высокой адгезии.
Напыление покрытия на поверхность детали представляет собой процесс нанесения с помощью высокотемпературной скоростной струи дисперсного порошка или капель расплавленного напыляемого материала, осаждающегося на основном металле при ударном столкновении с его поверхностью [1]. Напыляемая частица при встрече с подложкой деформируется, образуется сплэт, внутри системы частица-подложка происходит взаимный обмен тепловой энергией, частица охлаждается. Из сплэтов формируется все покрытие, свойства которого определяется как структурой и фазовым составом сплэтов, прочностью связи сплэтов между собой, так и структурой сформированного покрытия.
Во многих работах [1-2,7,24-28] рассматривается механизм формирования покрытий на примере взаимодействия напыляемой частицы с твердой преградой.
Анализ отечественной и зарубежной литературы, описывающий современное состояние теоретических исследований адгезии напыляемой частицы и подложки показал, что большинство работ опираются на теоретическую модель описания адгезии частицы с поверхностью подложки. Несмотря на это, в данное время отсутствует единая теория, описывающая этот процесс, из-за невозможности учета и описания многих факторов, влияющих на процесс адгезии.
Для решения вопроса о повышении адгезии появились и получают свое развитие новые способы газотермического напыления: сверхзвуковое сверхзвуковое газодинамическое напыление.
Таким образом, можно отметить мировую тенденцию, что повышение адгезии покрытий можно обеспечить за счет увеличения скорости напыляемых частиц.
Принято считать [1], что каждая частица деформируется и охлаждается на поверхности индивидуально, и взаимное термическое влияние в пятне напыления незначительно. Независимость поведения частиц при напылении позволяет провести анализ условий формирования покрытия.
Актуальность цели работы заключается в установлении достаточных, достоверных расчетных параметров процесса и допустимых диапазонов из изменений для получения прочной адгезии покрытия. Учитывая важность вопроса адгезии, определение температурных условий адгезии в системе «напыленная частица-подложка» является весьма актуальным.
Целью данной работы является рассмотрение зависимости энергетических условий взаимодействия напыляемой частицы с подложкой от технологических параметров процесса газотермического напыления.
Чтобы реализовать поставленные цели, необходимо решить следующие
задачи:
1. Составить уравнение баланса энергий для каждого отдельного сценария для системы «частица-основа»;
2. Определить контактную температуру;
3. Построить график распределения температуры по глубине в системе «сплэт- основа»;
4. Определить толщину горячего слоя в подложке;
5. Рассчитать число атомов в горячем слое;
6. Провести оценку влияния скорости частицы на распределение энергии в системе «частица-основа», в соответствие с уравнением баланса энергии;
7. Определить энергию активации атомов в горячем слое.
Объектом исследования данной ВКР является процесс формирования напыляемого покрытия на уровне взаимодействия отдельно взятой частицы с подложкой.
Предметом исследования является оценка влияния технологических параметров процесса газотермического напыления на условия формирования газотермических покрытий, таких как температура в контакте на границе сплэта и подложки, энергия активации атомов в поверхностном слое подложки, определяющие относительную адгезию.
Научная новизна данной ВКР заключается в создании новой модели, рассматривающей активированное состояние поверхностного слоя подложки конечной толщины - «горячего слоя», который определяет степень активации атомов в подложке.
Результаты ВКР могут быть полезны при выборе оптимальных параметров процесса нанесения ГТП с заданной адгезией.
Для реализации функциональных свойств покрытий важным условием является получение высокой адгезии.
Напыление покрытия на поверхность детали представляет собой процесс нанесения с помощью высокотемпературной скоростной струи дисперсного порошка или капель расплавленного напыляемого материала, осаждающегося на основном металле при ударном столкновении с его поверхностью [1]. Напыляемая частица при встрече с подложкой деформируется, образуется сплэт, внутри системы частица-подложка происходит взаимный обмен тепловой энергией, частица охлаждается. Из сплэтов формируется все покрытие, свойства которого определяется как структурой и фазовым составом сплэтов, прочностью связи сплэтов между собой, так и структурой сформированного покрытия.
Во многих работах [1-2,7,24-28] рассматривается механизм формирования покрытий на примере взаимодействия напыляемой частицы с твердой преградой.
Анализ отечественной и зарубежной литературы, описывающий современное состояние теоретических исследований адгезии напыляемой частицы и подложки показал, что большинство работ опираются на теоретическую модель описания адгезии частицы с поверхностью подложки. Несмотря на это, в данное время отсутствует единая теория, описывающая этот процесс, из-за невозможности учета и описания многих факторов, влияющих на процесс адгезии.
Для решения вопроса о повышении адгезии появились и получают свое развитие новые способы газотермического напыления: сверхзвуковое сверхзвуковое газодинамическое напыление.
Таким образом, можно отметить мировую тенденцию, что повышение адгезии покрытий можно обеспечить за счет увеличения скорости напыляемых частиц.
Принято считать [1], что каждая частица деформируется и охлаждается на поверхности индивидуально, и взаимное термическое влияние в пятне напыления незначительно. Независимость поведения частиц при напылении позволяет провести анализ условий формирования покрытия.
Актуальность цели работы заключается в установлении достаточных, достоверных расчетных параметров процесса и допустимых диапазонов из изменений для получения прочной адгезии покрытия. Учитывая важность вопроса адгезии, определение температурных условий адгезии в системе «напыленная частица-подложка» является весьма актуальным.
Целью данной работы является рассмотрение зависимости энергетических условий взаимодействия напыляемой частицы с подложкой от технологических параметров процесса газотермического напыления.
Чтобы реализовать поставленные цели, необходимо решить следующие
задачи:
1. Составить уравнение баланса энергий для каждого отдельного сценария для системы «частица-основа»;
2. Определить контактную температуру;
3. Построить график распределения температуры по глубине в системе «сплэт- основа»;
4. Определить толщину горячего слоя в подложке;
5. Рассчитать число атомов в горячем слое;
6. Провести оценку влияния скорости частицы на распределение энергии в системе «частица-основа», в соответствие с уравнением баланса энергии;
7. Определить энергию активации атомов в горячем слое.
Объектом исследования данной ВКР является процесс формирования напыляемого покрытия на уровне взаимодействия отдельно взятой частицы с подложкой.
Предметом исследования является оценка влияния технологических параметров процесса газотермического напыления на условия формирования газотермических покрытий, таких как температура в контакте на границе сплэта и подложки, энергия активации атомов в поверхностном слое подложки, определяющие относительную адгезию.
Научная новизна данной ВКР заключается в создании новой модели, рассматривающей активированное состояние поверхностного слоя подложки конечной толщины - «горячего слоя», который определяет степень активации атомов в подложке.
Результаты ВКР могут быть полезны при выборе оптимальных параметров процесса нанесения ГТП с заданной адгезией.
В настоящей работе рассмотрены теплофизические условия взаимодействия напыляемой частицы с подложкой, с учетом «горячего слоя», который определяет активированное состояние атомов в поверхностном слое подложке.
Рассмотрены случаи напыления модельного материала - Ni и реального материала Н80Х20 на подложке Ст20, Си при различных технологических параметрах напыления.
Для каждого случая проведен расчет параметров горячего слоя: толщины горячего слоя, теплосодержание в горячем слое (QETC), количество атомов в горячем слое. По этим данным рассчитана энергия активации отдельного атома в поверхностном слое подложки.
Результаты расчета показали:
Толщина горячего слоя с увеличением скорости уменьшается, с увеличением температуры подложки возрастает, причем толщина горячего слоя в стальной подложке оказывается меньше, чем для медной при тех же условиях.
Увеличение скорости частицы приводит к росту энергии активации отдельного атома, особенно значительно для подложки из меди. Подогрев подложки существенно влияет на энергию активации атома в медной подложке и в меньшей степени для подложки из стали. Следует отметить, что диаметр частиц практически не влияет на величину энергии активации.
В общем случае адгезия покрытия, зависит от температуры в контакте, времени кристаллизации расплавленной напыленной частицы на поверхности подложки, а также энергия активации атомов в подложке. Как показали наши расчеты энергия активации и температура в контакте с увеличением скорости возрастают, при этом время полной кристаллизации уменьшается.
Рассмотрены случаи напыления модельного материала - Ni и реального материала Н80Х20 на подложке Ст20, Си при различных технологических параметрах напыления.
Для каждого случая проведен расчет параметров горячего слоя: толщины горячего слоя, теплосодержание в горячем слое (QETC), количество атомов в горячем слое. По этим данным рассчитана энергия активации отдельного атома в поверхностном слое подложки.
Результаты расчета показали:
Толщина горячего слоя с увеличением скорости уменьшается, с увеличением температуры подложки возрастает, причем толщина горячего слоя в стальной подложке оказывается меньше, чем для медной при тех же условиях.
Увеличение скорости частицы приводит к росту энергии активации отдельного атома, особенно значительно для подложки из меди. Подогрев подложки существенно влияет на энергию активации атома в медной подложке и в меньшей степени для подложки из стали. Следует отметить, что диаметр частиц практически не влияет на величину энергии активации.
В общем случае адгезия покрытия, зависит от температуры в контакте, времени кристаллизации расплавленной напыленной частицы на поверхности подложки, а также энергия активации атомов в подложке. Как показали наши расчеты энергия активации и температура в контакте с увеличением скорости возрастают, при этом время полной кристаллизации уменьшается.