Исследование и разработка энергоэффективной технологии для плазменно-топливного напыления оксидных и металлических функциональных покрытий на изделия машиностроительного и медицинского назначения с повышенной производительностью процесса

Abstract

Объектом исследования является процесс газотермического формирования керамических и металлических функциональных покрытий, в плазменно-топливном варианте с использованием электродуговых плазмотронов и топливных систем, для обработки различных металлических изделий. Целью настоящего проекта является комплексное расчетно-экспериментальное изучение и разработка технологии для плазменно-топливного напыления керамических и металлических функциональных (износостойких и антимикробных) покрытий на изделия машиностроительного и медицинского назначения с повышенной производительностью процесса и улучшенными энергозатратами по сравнению с традиционными технологиями газотермического напыления в инертных и бескислородных газовых средах. В результате проведенных исследований предложены и апробированы новые расчетные модели для теоретического описания и инженерной оптимизации тепловых и физико-химических процессов в условиях плазменно-топливного напыления при атмосферном давлении различных покрытий на поверхность металлических изделий машиностроительного и медицинского назначения, что позволило определить область предпочтительных экспериментальных режимов разрабатываемого процесса. На специальной модернизированной экспериментальной установке плазменного напыления мощностью до 40 кВт, работающей с использованием регулируемого сочетания трех видов газов – технических азота и пропан-бутана и компримированного воздуха, проведены две серии экспериментальных исследований по определению и оптимизации технологических и конструктивных параметров плазменно-топливной системы для напылении оксидных и металлических материалов на образцы, соответствующие изделиям машиностроительной и медицинской отраслей. При этом, с использованием современных методов проектирования (в т.ч. лазерной LOM-технологии), выполнены конструкторская разработка, изготовление и испытание двух промышленно-ориентированных разновидностей топливного интенсификатора, стыкуемого с электродуговым плазмотроном ПП-25, а также дополнительной технологической оснастки. Для образцов полученных покрытий толщиной от 100 до 450 мкм из трех вариантов порошковых материалов (промышленного оксида алюминия технической чистоты, промышленных наплавочного бронзового порошка и порошка сплава на никелевой основе ПГСР4), проведено экспериментальное тестирование физико-механических и функциональных свойств получаемых покрытий на стальных изделиях. По опытным данным производительность разработанного процесса достигает 7-15 кг/ч по исходным керамическому и бронзовому порошкам при использовании умеренной мощности плазмотрона – до 35-40 кВт и ограниченном расходе углеводородного газа (например, технического пропан-бутана марки СПБТ) – 0,1-0,35 кг/ч. Анализ параметров энергоэффективности разработанной технологии, а также ее расчетных технико-экономических характеристик, в сравнении с плазменным и комбинированным оборудованием аналогичного назначения, показал, что она имеет преимущество по целевым показателям, в частности, по удельным энергозатратам и общему энергетическому КПД аппарата, не менее, чем на 20-30 %. Также предложены практические рекомендации для процесса напыления и подготовлена технологическая инструкция (ТИ), что позволяет в дальнейшем перейти к стадии последующего внедрения данной технологии в производство на основе нового процесса получения керамических и металлических покрытий с улучшенной энергоэффективностью.