Підвищення експлуатаційних властивостей плазмових покриттів із застосуванням нанодисперсних порошків

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorСмирнов, Ігор Володимирович
dc.contributor.authorФурман, В`ячеслав Костянтинович
dc.date.accessioned2018-06-05T12:16:57Z
dc.date.available2018-06-05T12:16:57Z
dc.date.issued2018
dc.description.abstractenThe thesis is devoted to the search for ways to increase the operational properties of plasma-sprayed coatings based on self-fluxing alloys and ceramics for the restoration or creation of corrosion-resistant and wear-resistant coatings operating under conditions of intense wear and corrosion. In the first chapter, based on the results of the analysis of the works published in scientific papers by domestic and foreign scientists, the direction was chosen, the purpose and tasks of scientific work were formulated, the state of the problem of development of new gas-thermal coatings on the basis of nanostructured powders with increased operational properties was explored. It is noted that the methods of plasma spraying are among the most actively developing in the field of protective coatings. It was found that the solution of the problem of increasing the efficiency of the technological process and the quality of plasma coatings can be achieved by structural and technological means. This is realized due to the improvement of the existing or development of new methods for controlling the basic energy parameters of low-temperature plasma streams and the shredding of structural components of the spray coatings, which can be achieved by the introduction of nanodispersed metal and non-metal powders, whose properties substantially differ from the properties of microparticles of the same chemical composition. It has been established that the development of new powders modified with nanodispersed materials is one of the effective methods for controlling the structure, increasing the mechanical, physical and operational properties of surfaced and sprayed coatings. This effect is achieved by introducing into the composition of used materials impurities in the form of various nanodispersed powders of carbides, borides, oxides and transition metals nitrides. The conducted literary review showed a wide range of applications as modifiers of nanodispersed oxide powders. However, some systems of coatings and their properties in plasma spraying are not sufficiently studied or there are no results of experiments in this area. This concerns the corrosion properties of ceramic coatings of aluminum oxide modified by nanoparticles TiO2 or SiO2 and the basic laws of the influence of nano-dispersed Al2O3 powder on the physical and mechanical parameters of self-flux coatings of the Ni-Cr-B-Si system during plasma spraying. In the second section the general structure of work is constructed, the materials, equipment and methods of obtaining modified powders are given, their morphology, chemical composition, diffractometric analysis, equipment described in the experiments were described. The methods of tests of corrosion resistance and bond strength of ceramic coatings, wear resistance and resistance to thermal loads of self-flux plasma coatings, equipment for metallographic analysis are given. In order to detect the complex patterns of the influence of nanocomponents on the formation and operational properties, the coating of coatings was carried out using completely different intended materials, namely, ceramic powder of aluminum oxide, which allows to receive corrosion-resistant coatings and self-fluxing powder of the Ni-Cr-B-Si system to create or restore wear-resistant surfaces. As modifiers, nanodispersed powders of Al2O3 (21–41 nm fraction obtained by cryochemical technology), TiO2 produced by the American firm Nanostructured & Amorhous Materials (fraction of 5–40 nm) and analogous to it, were more suitable for SiO2 production by the Kalush Research and Experimental Plant Institute Surface chemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine (fraction 5–40 nm). The composite metal-ceramic powder for thermal coatings based on the selffluxing alloy system of the Ni-Cr-B-Si grade, which consists of particles of a metal matrix in which, by mechanochemical treatment in a ball planetary mill, an additive of nanodispersed (30–50 nm) of refractory Al2O3 or TiO2 in an amount of 0.5–1.5% by volume are developed. The device for plasma-arc spraying of coatings with magnetic control in the form of a solenoid, which is fixed relative to the nozzle part of the plasma torch and is used for spraying of modified ceramic powders (the Patent of Ukraine for the utility model No. 104371) has been developed. The technological bases of plasma spraying of functional coatings with the use of Al2O3, TiO2 and SiO2 nanodispersed powders, which consist in modification of the output of self-flux and ceramic powders by nanoparticles by mechanochemical treatment in a planetary ball mill at a speed of 120–125 rpm in a vacuum of 2.5–5∙10-1 Pa for 6–8 minutes, which allows to obtain homogeneous modified powder without noticeable shredding with evenly distributed nanodispersed particles and plasma modified powder spraying plasma torch power up to 6 kW in generating mode laminar plasma jet with extra equipment solenoid induction of 12–16 mlT. In the third section, the rational regime parameters of plasma spraying were determined by studying the stability of arc burning, determining the current-ampere characteristics (VAC), the coefficient of material use (CVM) and obtaining a regression equation that allow the nanoscale particles to be transferred to the coating: arc current of 85–95 A, the voltage on the arc 30–40 V, the current of the solenoid 4–5 A, the position of the solenoid relative to the nozzle 6–8 mm, the flow of plasma gas 0.18–0.2 m3/h, the flow of powder 2 kg/h, the spray distance 100–150 mm. The results of investigations of the influence of nanosized powders Al2O3, TiO2, SiO2 on formation of plasma coatings, microstructure analysis, chemical composition and diffractometric analysis of the obtained coatings are presented. The results of metallographic studies of plasma coatings illustrate changes in the microstructure due to the addition of nanodispersed oxide powders. When the nanodispersed powders are added in an amount of 1.5% by volume, the microstructure of the ceramic coatings has a compact, smooth and dense structure. There is a decrease in the net of microcracks and porosity to 5–6%, an increase in the uniformity of the coating and the strength of the grip (by 16–25%) due to the exothermic interaction of nanodispersed modifiers with additional heat release, which contributes to the better penetration of the ceramic core of aluminum oxide. Transverse pores, the presence of which significantly affects the corrosion properties of coatings are not detected. An increase in the content of nanodispersed powders up to 5 vol% reflects an increase in porosity of the microstructure to 8–10%, with cracking of the coatings and their detachment in the zone of adhesion contact, due to high residual stresses in coatings. The microstructural analysis of self-flux coatings obtained with the addition of 0.2–1.5 vol% Al2O3 showed a dense and highly homogeneous structure with a minimum number of defects in the adhesion contact zone. Additional melting results in homogenization and ordering of the coating structure with an increase in adhesion strength characteristic of the formation of transitional diffusion zones. With an increase in the content of nano-dispersed Al2O3 powder, up to 5% by volume in the selflubricating coatings are combined along the grain boundaries, which may contribute to the formation of microcracks. After melting, due to processes of coalescence and coagulation, in coatings with Ni-Cr-B-Si pores and dark (non-metallic) inclusion take a rounded form. The fourth section presents the results of experimental studies on wear resistance and thermal stability of coatings based on a self-fluxing powder of the Ni-Cr-B-Si system modified with Al2O3 nano-dispersed powder, and the adhesion strength and corrosion resistance of aluminum oxide ceramics modified with TiO2 nanodispersed powders and SiO2. The given technological recommendations concerning composition and regime parameters for their practical application. It has been experimentally proved that insignificant volumetric particles of nanodispersed oxides (up to 1.5 vol%), due to high dispersion (5–41 nm), increase the introduced superficial energy with the implementation of mechanisms of modification of the 1st and 2nd kind, and dispersion strengthening, providing a comprehensive enhancement of the performance of the plasma coating. Thus, based on the data obtained on wear resistance and microhardness, the rational content of nano-dispersed Al2O3 in the initial self-fluxing powder of the Ni-Cr-B-Si system at the level of 0.2–1.0 vol% was established, while the wear resistance of the coatings increased in the 2.8–5.7 times; microhardness rises by 18–34%; the thermal stability reaches 50 cycles without noticeable detachment and change of chemical composition. Established patterns of formation and physical-mechanical characteristics of plasma coatings on the basis of aluminum oxide ceramics with the introduction into their composition of 1–1.5 vol% of nanoparticles TiO2 and SiO2, which due to the presence of developed, free bonds that are activated at high temperatures in the conditions of plasma spraying and chemical interaction between the components contribute to the increase of the uniformity of the coating, better fusion of the ceramic core, reduction of the microcrack net and porosity to 3–6%, which ensures an increase in the microflow spine at 38–44%, the strength of adhesion of sprayed coatings to 16–25%, the corrosion resistance in the environment of 10% HCl 2.8 and 6 times, while the use of powdered TiO2 nanopowder and SiO2, respectively. The presence of such physical phenomena that may occur during the formation of the coating provides a comprehensive increase in physical and mechanical characteristics (bond strength, microhardness, porosity) and operational properties (wear, corrosion and stability of the coating to thermocycling), despite the fact that the content of nano-dispersed powders is only a few percent of the total volume. Thus, the research carried out is evidence of the promising use of nanodispersed powders in the technology of plasma spraying coatings. The technological recommendations for the plasma spraying of modified selffluxing powders of the Ni-Cr-B-Si system for the reconstruction of the Lodige mixer blades and the working surfaces of the crushers wheels, which were recommended for implementation at the Kiev Shipbuilding and Ship Repair Plant, were developed.uk
dc.description.abstractukДисертаційна робота присвячена пошуку шляхів підвищення експлуатаційних властивостей плазмових покриттів на основі самофлюсівного сплаву та кераміки для відновлення або створення корозійностійких та зносостійких покриттів, що працюють в умовах інтенсивного зношування та корозійного впливу. У першому розділі за результатами аналізу опублікованих у наукових виданнях робіт вітчизняних та закордонних вчених, обрано напрямок, сформульовано мету і завдання наукової роботи, досліджено сучасний стан проблеми розробки нових газотермічних покриттів на основі наноструктурованих порошків з підвищеними експлуатаційними властивостями. Відмічається, що методи плазмового напилення відносяться до числа тих, які найбільш активно розвиваються в області створення захисних покриттів. Виявлено, що вирішення задачі підвищення ефективності технологічного процесу та якості плазмових покриттів, може бути досягнуто конструкційними і технологічними шляхами. Реалізується це, завдяки вдосконаленню існуючих чи розробці нових способів керування основними енергетичними параметрами потоків низькотемпературної плазми та подрібненню структурних складових напилених покриттів, яке може бути досягнуто введенням нанодисперсних металевих та неметалевих порошків, властивості яких істотно відрізняються від властивостей мікропорошків того ж хімічного складу. Встановлено, що розробка нових порошків модифікованих нанодисперсними матеріалами, є одним з ефективних способів керування структурою, підвищення механічних, фізичних і експлуатаційних властивостей наплавлених і напилених покриттів. Досягається цей вплив завдяки введенню до складу використовуваних матеріалів домішок у вигляді різних нанодисперсних порошків карбідів, боридів, оксидів і нітридів перехідних металів. Проведений літературний огляд показав широкий спектр застосування у якості модифікаторів нанодисперсних порошків оксидів. Проте деякі системи покриттів та їх властивості при плазмовому напиленні недостатньо вивчені або взагалі відсутні результати дослідів за даним напрямком. Це стосується корозійних властивостей керамічних покриттів з оксиду алюмінію модифікованого нанодисперсними TiO2 чи SiO2 та основних закономірностей впливу нанодисперсного порошку Al2O3 на фізико-механічні показники самофлюсівних покриттів системи Ni-Cr-B-Si під час плазмового напилення. У другому розділі побудована загальна структура роботи, наведені матеріали, обладнання та способи отримання модифікованих порошків, досліджено їх морфологію, хімічний склад, проведено дифрактометричний аналіз, описано обладнання, що використовували під час експериментів. Наведені методики випробувань корозійної стійкості та міцності зчеплення керамічних покриттів, зносостійкості та стійкості до термічних навантажень самофлюсівних плазмових покриттів, обладнання для металографічного аналізу. З метою виявлення комплексних закономірностей впливу нанодисперсних компонентів на формування та експлуатаційні властивості, напилення покриттів проводили, використовуючи абсолютно різні за призначенням основні матеріали, а саме, керамічний порошок оксиду алюмінію, що дозволяє отримувати корозійностійкі покриття та самофлюсівний порошок системи Ni-Cr-B-Si (ПГ-10Н-01) для створення або відновлення зносостійких поверхонь. Як модифікатори застосовували нанодисперсні порошки Al2O3 (фракцієй 21–41 нм, отриманого за кріохімічною технологією), TiO2 виробництва американської фірми Nanostructured & Amorhous Materials (фракцією 5–40 нм) та як аналог до нього, більш доступний SiO2 виробництва Калуського дослідноекспериментального заводу інституту хімії поверхні Національної академії наук України (фракцією 5–40 нм). Розроблено композиційний металокерамічний порошок для газотермічних покриттів на основі самофлюсівного сплаву системи Ni-Cr-B-Si марки ПС-12НВК-01, який складається з частинок металевої матриці до складу якої шляхом механохімічної обробки в кульовому планетарному млині вводять добавку нанодисперсного (30–50 нм) тугоплавкого Al2O3 чи TiO2 у кількості 0,5–1,5 об.%. Розроблено пристрій для плазмово-дугового напилення покриттів з магнітним керуванням у вигляді соленоїда, що зафіксований відносно соплової частини плазмотрона і використовується для напилення модифікованих керамічних порошків (Патент України на корисну модель №104371). Розроблені технологічні основи плазмового напилення функціональних покриттів із застосуванням нанодисперсних порошків Al2O3, TiO2 та SiO2, які полягають у модифікації вихідних самофлюсівних та керамічних порошків нанодисперсними частинками шляхом механохімічної оброби у планетарному кульовому млині за частотою обертів 120–125 об/хв в середовищі вакууму 2,5–5∙10-1 Па впродовж 6–8 хв, яка дозволяє отримувати гомогенний модифікований порошок без помітного подрібнення з рівномірно розподіленими по об’єму нанодисперсними частинками та плазмовому напиленні модифікованих порошків плазмотроном потужністю до 6 кВт в режимі генерації ламінарного плазмового струменя з додатковим оснащенням соленоїдом з індукцією 12–16 млТ. У третьому розділі були встановлені раціональні режимні параметри плазмового напилення, шляхом дослідження стабільності горіння дуги, визначення вольт-амперних характеристик (ВАХ), коефіцієнту використання матеріалу (КВМ) та отримання рівняння регресії, які дозволяють переносити нанодисперсні частинки в покриття: струм дуги 85–95 А, напруга на дузі 30–40 В, струм соленоїда 4–5 А, положення соленоїда відносно сопла 6–8 мм, витрати плазмоутворювального газу 0,18–0,2 м3/год, витрати порошку 2 кг/год, дистанція напилення 100–150 мм. Наведені результати досліджень впливу нанодисперсних порошків Al2O3, TiO2, SiO2 на формування плазмових покриттів, проведений аналіз мікроструктури, хімічного складу та дифрактометричний аналіз отриманих покриттів. Результати металографічних досліджень плазмових покриттів ілюструють зміни в мікроструктурі, внаслідок додавання нанодисперсних порошків оксидів. При додаванні нанодисперсних порошків в кількості 1,5 об.% мікроструктура керамічних покриттів має компактну, гладку та щільну будову. Спостерігається зменшення сітки мікротріщин та пористості до 5–6%, підвищення однорідності покриття та міцності зчеплення (на 16–25%), що відбувається завдяки екзотермічній взаємодії нанодисперсних модифікаторів з додатковим виділенням тепла, яке сприяє кращому проплавленню керамічного ядра оксиду алюмінію. Наскрізні пори, наявність яких істотно впливає на корозійні властивості покриттів не виявлені. Збільшення ж вмісту нанодисперсних порошків до 5 об.% відображає збільшення пористості мікроструктури до 8–10 %, з розтріскуванням покриттів та їх відшаруванням в зоні адгезійного контакту, що пояснюється високими залишковими напруженнями в покриттях. Проведений мікроструктурний аналіз самофлюсівних покриттів отриманих при додаванні 0,2–1,5 об.% Al2O3 показав, щільну та високо однорідну будову з мінімальною кількістю дефектів в зоні адгезійного контакту. Додаткове оплавлення призводить до гомогенізації та впорядкованості структури покриття з підвищенням адгезійної міцності, характерної для утворення перехідних дифузійних зон. При збільшенні вмісту нанодисперсного порошку Al2O3 до 5 об.% пори в самофлюсівних покриттях об’єднуються по границях зерен, що може сприяти утворенню мікротріщин. Після оплавлення, внаслідок процесів коалесценції та коагуляції, в покриттях з ПГ-10Н-01 пори та темні (не металеві) включення приймають округлу форму. У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень на зносостійкість і термічну стабільність покриттів на основі самофлюсівного порошку системи Ni-Cr-B-Si, модифікованого нанодисперсним порошком Al2O3, та міцність зчеплення і корозійну стійкість покриттів на основі кераміки з оксиду алюмінію, модифікованих нанодисперсними порошками TiO2 та SiO2. Експериментально доведено, що незначні об’ємні частки нанодисперсних оксидів (до 1,5 об.%), завдяки високій дисперсності (5–41 нм) збільшують внесену поверхневу енергію з реалізацією механізмів модифікування 1-го та 2-го роду, та дисперсійного зміцнення, забезпечуючи комплексне підвищення експлуатаційні властивості плазмового покриття. Так, на основі отриманих даних зносостійкості та мікротвердості, встановлений раціональний вміст нанодисперсного Al2O3 у вихідному самофлюсівному порошку системи Ni-Cr-B-Si на рівні 0,2–1,0 об.%, при цьому зносостійкість покриттів зростає у 2,8–5,7 рази; мікротвердість підвищується на 18–34%; термостійкість досягає 50 циклів без помітних відшарувань та зміни хімічного складу. Встановлені закономірності формування та фізико-механічні характеристики плазмових покриттів на основі кераміки оксиду алюмінію з введенням до їх складу 1–1,5 об.% нанодисперсних порошків TiO2 та SiO2, які завдяки наявності на поверхні розвинених, вільних зв’язків, що активуються при високих температурах в умовах плазмового напилення та хімічної взаємодії між компонентами, сприяють підвищенню однорідності покриття, кращому проплавленню керамічного ядра, зменшенню сітки мікротріщин та пористості до 3–6%, що забезпечує підвищення мікротвердості на 38–44%, міцності зчеплення напилених покриттів на 16–25%, корозійної стійкості у середовищі 10% HСl у 2,8 та у 6 разів, під час застосування нанодисперсних порошків TiO2 та SiO2, відповідно. Наявність таких фізичних явищ, які можуть протікати під час формування покриттів забезпечує комплексне підвищення фізико-механічних характеристик (міцність зчеплення, мікротвердість, пористість) та експлуатаційних властивостей (зносо-, корозійна стійкість та стійкість покриття до термоциклювання), незважаючи на те, що вміст нанодисперсних порошків складає всього декілька відсотків від загального об’єму. Таким чином, проведені дослідження є доказом перспективності застосування нанодисперсних порошків в технології плазмового напилення покриттів. Розроблені технологічні рекомендації плазмового напилення модифікованих самофлюсівних порошків системи Ni-Cr-B-Si для відновлення лопатей змішувача фірми Lodige та робочих поверхонь коліс дробарок, які були рекомендовані до впровадження на «Київському заводу суднобудування та судноремонту».uk
dc.format.page165 с.uk
dc.identifier.citationФурман, В.К. Підвищення експлуатаційних властивостей плазмових покриттів із застосуванням нанодисперсних порошків : дис. ... канд. техн. наук : 05.03.06 – зварювання та споріднені процеси і технології / Фурман В`ячеслав Костянтинович. – Київ, 2018. – 165 с.uk
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/23255
dc.language.isoukuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.subjectплазмове напиленняuk
dc.subjectнанодисперсні порошкиuk
dc.subjectзносостійкістьuk
dc.subjectкорозійна стійкістьuk
dc.subjectміцність зчепленняuk
dc.subjectексплуатаційні властивостіuk
dc.subjectмікроструктураuk
dc.subjectplasma sprayinguk
dc.subjectnano powdersuk
dc.subjectwear resistanceuk
dc.subjectcorrosion resistanceuk
dc.subjectadhesion strengthuk
dc.subjectoperational propertiesuk
dc.subjectmicrostructureuk
dc.subject.udc621.791.9+621.792/.739](043.3)uk
dc.titleПідвищення експлуатаційних властивостей плазмових покриттів із застосуванням нанодисперсних порошківuk
dc.typeThesis Doctoraluk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Furman_diss.pdf
Розмір:
7.87 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
7.74 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (КІП)
Дисертації (вільний доступ)