Сверхзвуковая газопорошковая наплавка
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Металлургия. Литейное производство
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 464
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-1121-9
Артикул: 815397.01.99
Изложены материалы сравнительного анализа дозвуковых способов напыления и наплавки и принципиально нового авторского способа сверхзвуковой газопорошковой наплавки. Рассмотрены базовые основы конструирования сверхзвуковых сопел Лаваля для газопорошковой наплавки, вопросы технологии наплавки, методов исследования технологических параметров процесса наплавки и прочностных характеристик наплавленных покрытий, а также принципы автоматизации процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки, диагностирования сверхзвуковых газопорошковых струй и оптимизации процесса наплавки с использованием методов математического моделирования. Для студентов направления 15.03.01 «Машиностроение», направленности (профиля) «Оборудование и технология сварочного производства», а также слушателей факультетов повышения квалификации и переподготовки кадров в области сварочного производства.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
М. В. Радченко, Т. Б. Радченко, В. С. Киселёв СВЕРХЗВУКОВАЯ ГАЗОПОРОШКОВАЯ НАПЛАВКА Учебник Под общей редакцией доктора технических наук, профессора М. В. Радченко Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023
УДК 621.791.7 ББК 34.641 Р15 Рецензенты: д. т. н., профессор, зав. кафедрой современных методов сварки и контроля конструкций Уфимского государственного авиационного технического университета Валерий Владимирович Атрощенко; к. т. н., с. н. с., руководитель Аттестационного центра лабораторий неразрушающего контроля Головного аттестационного центра Алтайского региона НАКС Вольферц Геннадий Анатольевич Р15 Радченко, М. В. Сверхзвуковая газопорошковая наплавка : учебник / М. В. Радченко, Т. Б. Радченко, В. С. Киселёв ; под общ. ред. д. т. н., проф. М. В. Радчен- ко. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 464 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-1121-9 Изложены материалы сравнительного анализа дозвуковых способов напыления и наплавки и принципиально нового авторского способа сверхзвуковой газопорошковой наплавки. Рассмотрены базовые основы конструирования сверхзвуковых сопел Лаваля для газопорошковой наплавки, вопросы технологии наплавки, методов исследования технологических параметров процесса наплавки и прочностных характеристик наплавленных покрытий, а также принципы автоматизации процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки, диагностирования сверхзвуковых газопорошковых струй и оптимизации процесса наплавки с использованием методов математического моделирования. Для студентов направления 15.03.01 «Машиностроение», направленности (профиля) «Оборудование и технология сварочного производства», а также слушателей факультетов повышения квалификации и переподготовки кадров в области сварочного производства. УДК 621.791.7 ББК 34.641 ISBN 978-5-9729-1121-9 Радченко М. В., Радченко Т. Б., Киселёв В. С., 2023 Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................. 9 1 МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ................................... 13 1.1 Способы напыления защитных покрытий ........................................................ 20 1.2 Способы наплавки защитных покрытий ........................................................... 41 1.3 Комбинированные способы создания защитных покрытий ........................... 65 1.4 Выбор способа нанесения защитного покрытия .............................................. 72 1.5 Материалы для создания защитных покрытий ................................................ 79 1.5.1 Напыляемые материалы............................................................................. 81 1.5.2 Наплавочные материалы ........................................................................... 88 1.5.3 Выбор материала для наплавки защитных покрытий ............................ 90 2 УСТАНОВКИ ГАЗОПЛАМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ....................................................................................................... 91 2.1 Дозвуковые газопламенные установки ............................................................. 96 2.2 Сверхзвуковые газопламенные установки ..................................................... 102 2.3 Горелочные устройства сверхзвуковых газопламенных установок ............ 113 2.4 Порошковые питатели ...................................................................................... 120 3 ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ УСТАНОВОК ДЛЯ ГАЗОПОРОШКОВОЙ НАПЛАВКИ .......................................................... 138 3.1 Расчет сверхзвукового сопла Лаваля .............................................................. 141 3.2 Сверхзвуковые и дозвуковые газопламенные наплавочные сопла.............. 148 3.2.1 Конструкция первого опытного сверхзвукового наплавочного сопла ................................................................................. 148 3.2.2 Дозвуковые наплавочные сопла ............................................................. 149 3.2.3 Технические характеристики газопламенных наплавочных сопел .... 151 3.3 Схемы подачи наплавочного порошка для СГП наплавки ........................... 166 3.4 Конструирование сверхзвуковых газопорошковых сопел для СГП наплавки ............................................................................................. 170 3.4.1 Определение длины цилиндрического участка сопла Лаваля ............ 170 3.4.2 Конструкция пистолета с соплом М5 и радиальным подводом порошка ......................................................... 171 3.4.3 Защита основных узлов сверхзвуковой газопорошковой наплавочной установки .......................................................................... 173 3.5 Автоматизация установки СГП наплавки....................................................... 177 3.6 Конструкция универсальной сверхзвуковой наплавочной газопорошковой установки ........................................................................................................... 180 4 ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЦЕССОВ ДОЗВУКОВОЙ И СВЕРХЗВУКОВОЙ ГАЗОПОРОШКОВЫХ НАПЛАВОК .......................................................... 187 4.1 Технологические параметры дозвуковой и сверхзвуковой газопорошковых наплавок ............................................................................... 187 4.2 Оценка качества свойств защитных покрытий, выполненных до- и сверхзвуковой газопорошковыми наплавками .......................................... 192 3
4.3 Механические и эксплуатационные свойства защитных покрытий, выполненных дозвуковой газопорошковой наплавкой ................................ 199 4.3.1 Структура металлов основного и защитного покрытия ....................... 202 4.3.2 Фазовый состав защитного покрытия .................................................... 205 4.3.3 Механические свойства наплавленных покрытий................................ 206 4.3.4 Износостойкость защитных покрытий, наплавленных способом дозвуковой ГПН ........................................................................................ 209 4.4 Механические и эксплуатационные свойства защитных покрытий, выполненных сверхзвуковой газопорошковой наплавкой .......................... 213 4.4.1 Микроструктура защитных покрытий ................................................... 216 4.4.2 Фазовый состав защитных покрытий ..................................................... 219 4.4.3 Микротвердость защитных покрытий ................................................... 221 4.4.4 Износостойкость защитных покрытий, наплавленных способом сверхзвуковой ГПН ................................................................................... 228 4.5 Сравнительный анализ свойств защитных покрытий при дозвуковой и сверхзвуковой газопорошковой наплавке .................................................. 230 4.6 Формирование свойств защитных покрытий сверхзвуковой газопорошковой наплавкой ............................................................................. 235 5 АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА СГП-НАПЛАВКИ ............................... 241 5.1 Принципы построения систем управления газопламенных установок ....... 241 5.2 Параметры управления СГП-наплавкой ......................................................... 251 5.3 Автоматическое управление СГП-наплавкой ................................................ 264 5.3.1 Алгоритм САУ параметрами расхода рабочих газов ........................... 266 5.3.2 Структурная схема САУ параметрами расхода газов .......................... 269 5.3.3 Программное управление газорегулирующей системой СГП-наплавки ............................................................................................ 276 5.4 Система автоматического управления СГП наплавкой ................................ 291 5.4.1 Средства измерения технологических параметров СГП-наплавки .. 291 5.4.2 Определение рабочих диапазонов горючих газов .............................. 298 5.4.3 Взаимосвязь диапазона рабочих газов и мощности газопламенной струи ............................................................................ 301 6 ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВЫХ СТРУЙ НА КАЧЕСТВО НАПЛАВЛЕННЫХ ПОКРЫТИЙ ............................................................... 307 6.1 Техническое обеспечение измерений технологических параметров СГП-наплавки .................................................................................................... 307 6.1.1 Измерение расхода рабочих газов .......................................................... 307 6.1.2 Измерение температуры СГП струи ...................................................... 309 6.1.3 Регистрация спектра СГП струи ............................................................. 310 6.1.4 Измерение скорости пролёта порошковых материалов в СГП струе .............................................................................................. 312 6.2 Обеспечение достоверности результатов измерений .................................... 320 4
6.3 Влияние технологических параметров газовых струй на качество наплавленных покрытий ................................................................................... 324 6.3.1 Соотношение рабочих газов при наплавке газовыми струями ........... 324 6.3.2 Распределение температуры нагрева по длине сверхзвуковой газовой струи ................................................. 328 6.3.3 Распределение температуры по длине сверхзвуковой газопорошковой струи ............................................................................ 344 6.3.4 Распределение частиц порошкового сплава в СГП струе ................... 349 7 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ СПОСОБОМ СГП-НАПЛАВКИ .............................. 353 7.1. Планирование эксперимента ........................................................................... 353 7.2 Программные средства обобщения характеристик наплавленных покрытий, определяющих их качественные параметры .................................................. 357 7.2.1 Программные продукты для моделирования и прогнозирования свойств сварных соединений ............................... 359 7.2.2 Программные продукты для моделирования и прогнозирования свойств защитных покрытий ................................ 371 7.3 Безразмерные критерии оценки качества процесса СГП-наплавки ............. 376 7.4 Прогнозирование эксплуатационных свойств покрытий, наплавленных СГП струёй ............................................................................... 388 7.4.1 Основные факторы, определяющие качество наплавляемого защитного покрытия .................................................... 388 7.4.2 Регрессионный анализ в процессах СГП наплавки защитных покрытий ............................................................................... 391 7.4.3 Термические циклы при нагреве газовыми струями ............................ 399 7.5 Структуры и свойства защитных покрытий, наплавленных СГП наплавкой ......................................................................... 401 7.5.1 Выбор режимов наплавки ....................................................................... 401 7.5.2. Исследование структуры наплавленного слоя ..................................... 402 7.5.3 Аппаратура, материалы и методики экспериментальных исследований процесса СГП-наплавки ................................................. 409 8 ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ СГП НАПЛАВКИ ...................................................... 412 8.1 Первая отечественная технологическая аппаратура для СГП наплавки ............................................................................................. 412 8.2 Насосное оборудование .................................................................................... 415 8.3 Теплоэнергетические установки ...................................................................... 424 8.4 Метод прогнозирования качества покрытий при СГПН ............................... 428 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................... 432 ПРИЛОЖЕНИЕ А Сравнение устройств термического напыления .................................................. 444 5
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Основные схемы электрошлаковой наплавки ...................................................... 447 ПРИЛОЖЕНИЕ С Патент на полезную модель №60410 .................................................................... 448 ПРИЛОЖЕНИЕ Д Типы программируемых логических контроллеров ............................................ 450 ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Акты внедрения СГП-наплавки ............................................................................ 457 6
Уважаемый читатель! Достижения России, Советского Союза в области сварки общепризнаны на мировом уровне. Талантом и трудом русских инженеров созданы и получили развитие многие известные сегодня виды сварки: дуговая ручная, автоматическая под флюсом, дуговая в углекислом газе, вакуумная, порошковой проволокой; электрошлаковая; электроннолучевая; лазерная; диффузионная; трением; ультразвуковая и др. Первой в мире наша страна провела сварку под водой, в космосе, сварку костей в живом человеческом организме. Для реализации этих сварочных процессов русскими учеными и инженерами были разработаны многие оригинальные виды сварочного оборудования, сварочных материалов и технологий. Успехи в области сварки позволили осуществить настоящий переворот в ряде сфер производства, создать высокоэкономичные конструкции машин и сооружений, в разы повысить производительность труда. Развитие процесса наплавки родственному сварке также связано с появлением электрической дуги В. В. Петрова и использованием газового пламени для ремонтных работ. В предлагаемом учебнике рассмотрены различные аспекты принципиально нового технологического процесса, разработанного в России, и не имеющего аналогов за рубежом - сверхзвуковой газопорошковой наплавки (СГП-наплавки) многофункциональных покрытий, имеющего патенты РФ на устройство и на способ наплавки. Как известно, скорость звука в воздушной среде при температуре 20 С составляет 340 м/с. Иногда, предельно упрощенно скорость звука определяют числом, при этом 1 Мах условно равен 340 метрам в секунду или 1224 км/ч. Это физическое явление - сверхзвуковое истечение газовой струи, лежит в основе достаточно известного технологического процесса сверхзвукового напыления защитных порошковых материалов. Такие технологии разрабатывались и достаточно успешно развиты преимущественно в США и последние годы в Российской Федерации. Однако, все процессы напыления имеют существенное ограничение применения по такому параметру, как прочность сцепления с защищаемой поверхностью ıсц, которая по самым оптимистичным данным не превышает 140 МПа, и никогда не может приблизиться к пределу прочности, например, стали 45 (ıв = 600 МПа). Этот недостаток процессов напыления зачастую приводит к отслоению напылённых покрытий, что отсутствует в процессах наплавки, при которых создаётся неразъёмное соединение покрытий с защищаемой поверхностью. 7
В учебнике представлен достаточно большой объём данных, в основе которых лежат результаты ряда диссертационных исследований под руководством автора, посвящённых конструкции устройств и материалов для СГП-наплавки, технологических особенностей процесса, структуры и свойств наплавленных покрытий. Также подробно рассмотрены основы автоматизации процесса СГП-наплавки и прогнозирования технологических параметров и служебных свойств наплавленных покрытий. Безусловным критерием любого технологического процесса является его практическое применение. И несмотря на относительную молодость разработанного нового процесса наплавки, в учебнике приведены примеры практического использования сверхзвуковой газопорошковой наплавки и её перспективы в машиностроительном комплексе страны. Надеемся, что материал этого учебника будет интересен и полезен для конструкторов и разработчиков технологических процессов создания защитных покрытий на изделиях машиностроения. От авторов д.т.н., профессор М. В. Радченко 8
ВВЕДЕНИЕ Как известно, такие устройства, как например, строительные, мостовые конструкции, газовые магистрали, энергетическое оборудование относятся к опасным промышленным объектам, подведомственным Ростехнадзору. Участившиеся за последние годы техногенные катастрофы, зачастую связанные со сварными конструкциями, заставляют пересмотреть проблему безопасности сварочного производства, в частности, повышения качества сварных соединений и наплавленных покрытий (рисунок В.1). а) б) Рисунок 1 - Техногенные катастрофы в аквапарке «Трансвааль» (а) и на Саяно-Шушенской ГЭС (б) Так, проблемы изнашивания рабочих поверхностей (рисунок 2) обуславливают необходимость развития новых способов поверхностного упрочнения и их практического использования, как при изготовлении, так и при ремонте и реконструкции узлов и деталей установок. Особо остро проблема поверхностного износа проявляется в теплоэнергетике, где интенсивному высокотемпературному газоабразивному износу подвергаются рабочие поверхности таких деталей котлов с «кипящим слоем», как трубы пароперегревателей, колпачки трубных досок, элементы запорной арматуры и др. Паровые и водогрейные котлы с т.н. низкотемпературной топкой или кот- лы с «кипящим слоем» работают на низкосортных региональных видах топ- лива и под давлением пара более 0,07 МПа , водогрейные котлы с температу- рой воды выше 115 С (рисунок 3). Такого рода котлы способны вырабаты- вать тепло для малых городов с численностью населения порядка 200 тысяч человек. 9
Рисунок 2 - Основные виды изнашивания в машиностроении Однако, недостатком таких установок является чрезвычайно быстрый износ поверхности труб, вплоть до появления сквозных свищей, что может приводить к катастрофическому разрушению котла (рисунок 4). При этом межремонтный период котлов с незащищенными экранными трубами в зависимости от типа углей (каменный или бурый) составляет 1,5...2,5 месяца. А стоимость ремонта одного котла с заменой комплекта экранных труб составляет порядка 600 тыс. рублей. Рисунок 3 - Общий вид котла с «кипящим слоем» разработки Бийского котельного завода Следует отметить, что из практики выполнения сварочных работ известно, что создание защитных покрытий на трубных элементах таких котлов составляет не более 10 от стоимости котла средней мощности при увеличении срока непрерывной эксплуатации в 3-4 раза. 10