2 Прогнозирование свойств покрытий, на основе теоритического анализа теплофизические и физико-химические процессы при газотермического напыления порошков

2.1 Теплофизическая модель газотермического процесса для расчета остаточных напряжений в покрытиях

Необходимость совершенствования и улучшения упрочняющих, восстановительных, антифрикционных и других покрытий в машиностроении, обусловлена ужесточением условий эксплуатации деталей: температурой, давлением, скоростью и химической агрессивностью среды, абразивным, износом, излучением и т. д.. Конкретная совокупность этих условий определяет назначение покрытий (термостойкие, жаростойкие, эрозионно-стойкие, износостойкие, антифрикционные, коррозионно-стойкие, отражающие или поглощающие различные излучения), и обуславливает требования к свойствам, материалам и методам нанесения покрытий.

При разработке технологических процессов газотермического напыления покрытий прочность их сцепления с поверхностью изделия является одним из основных критериев, позволяющих судить о возможности их применения, а также определяющим эксплуатационные характеристики. Прочность сцепления всех газотермических покрытий зависит от многих технологических факторов, физико- химического состояния поверхности, а также связана с действием остаточных напряжений. Отслаивание покрытий при последовательном напылении слоев объясняют ростом величины остаточных напряжений до критического уровня, определяющего прочность сцепления с подложкой. Прочность сцепления сг_щ покрытия с основой качественно описывается ввиде:

I 32^ а_ост =°адг ~К(Т_ост,) (2.1)

где I_адг - адгезионная прочность;

а_ост - остаточные напряжения;

К - экспериментальный коэффициент, зависящий от условий напыления и свойств напыляемых материалов.

На величину остаточных напряжений г_ост в покрытии влияют следующие факторы: быстрая кристаллизация частиц на подложке (10³-1(Г⁵с), различия в температурных коэффициентах линейного расширения основы и напыляемых материалов, режимы напыления и охлаждения, а также ряда других.

Инженерная теплофизическая модель построена на базе анализа термомеханики и динамики процесса формирования покрытия напыляемого материала .

Остаточные напряжения в системе «деталь-покрытие» появляются в результате перепада температур элементов системы и различия их коэффициентов термического расширения. В связи с этим анализ формирования остаточных напряжений требует разработки теплофизической модели изменения температур детали и покрытия в процессе напыления.

Количество порошка напыляемого материала, вводимого на площадку поверхности пятна нагрева в единицу времени, назовем удельным приходом порошка. Не весь порошок, подаваемый в плазменную струю, образует покрытие.

При напылении на цилиндрическую поверхность радиуса Я можно определить частоту вращения детали

Продолжительность напыления за один проход в точке поверхности оказывается в несколько раз меньше периода одного оборота детали вокруг оси вращения. Поэтому можно принять, что при послойном формировании покрытия деталь с напыленными слоями покрытия за прошедшие проходы перед формированием следующего слоя полностью охлаждается.