Главная » 2014 » Август » 18 » Скачать Разработка воздушно-плазменной электротехнологии нанесения защитно-декоративных покрытий. Юшин, Борис Альбертович бесплатно
0:37 AM
Скачать Разработка воздушно-плазменной электротехнологии нанесения защитно-декоративных покрытий. Юшин, Борис Альбертович бесплатно
Разработка воздушно-плазменной электротехнологии нанесения защитно-декоративных покрытий
Диссертация
Автор: Юшин, Борис Альбертович
Название: Разработка воздушно-плазменной электротехнологии нанесения защитно-декоративных покрытий
Справка: Юшин, Борис Альбертович. Разработка воздушно-плазменной электротехнологии нанесения защитно-декоративных покрытий : диссертация кандидата технических наук : 05.09.10 / Юшин Борис Альбертович; [Место защиты: С.-Петерб. гос. политехн. ун-т] - Санкт-Петербург, 2010 - Количество страниц: 168 с. ил. Санкт-Петербург, 2010 168 c. :
Объем: 168 стр.
Информация: Санкт-Петербург, 2010
Содержание:
Введение
Глава 1 Методы нанесения защитно-декоративных покрытий
11 Состояние исследований по формированию защитно-декоративных покрытий
12 Вакуумные методы нанесения покрытий
13 Анализ газотермических и газодинамических методов нанесения покрытий
131 Газопламенные методы нанесения покрытий
132 Технология холодного газодинамического напыления (ХГН)
133 Элекгродуговые методы нанесения покрытий
134 Детонационные методы нанесения покрытий
135 Плазменные методы нанесения покрытий
14 Основы теории и технологические процессы плазменного напыления порошковых материалов
141 Влияние конструктивных особенностей плазмотрона
142 Параметры, определяющие режим работы плазмотрона
143 Внешние параметры в процессе напыления
144 Общая характеристика и длина плазменных струй
145 Температура и скорость плазменной струи па срезе сопла плазмотрона
15 Выводы Цели работы и постановка задач
2 Анализ процессов в условиях плазменной технологии нанесения защитно-декоративных покрытий
21 Обоснование и выбор базовой конструкции воздушно-дугового плазмотрона
22 Теплофизические параметры дугового разряда
221 Концепция математической модели процессов, протекающих в плазмотроне
222 Граничные условия для дуги в канале плазмотрона и для плазменной струи
23 Численный метод совместного решения нелинейных дифференциальных уравнений
24 Результаты расчета распределения температуры, давления и векторов скоростей потока плазмы в технологическом пространстве
25 Расчет скорости движения и нагрева частиц порошков на основе меди в плазменной струе
251 Исходные данные для расчета
252 Движение одиночной частицы в плазменной струе
253 Нагрев одиночной частицы в плазменной струе
254 Результаты расчета
26 Расчет движения и нагрева потока частиц порошков на основе меди в процессе плазменного напыления
261 Взаимодействие потока частиц и плазменной струи
262 Модель слоя частиц, «возникающих» в плазме
263 Результаты расчета
27 Выводы
Глава 3 Методика проведения исследований
31 Экспериментальное оборудование
32 Обоснование и выбор материала для напыления покрытия
33 Обработка опытных заготовок
34 Методика исследований энергетических характеристик плазмотрона
35 Методика исследования свойств воздушной плазменной струи
36 Методика измерения скорости напыляемых частиц
37 Методика исследования плазменных покрытий
371 Методика исследования структуры покрытий
372 Методика исследования свойств покрытий
3721 Определение пористости плазменных покрытий
3722 Методы определения коррозионной стойкости покрытий
3723 Методика исследования цвета покрытий
3724 Методика определения адгезионной прочности покрытий 112 38 Заключение
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований
41 Результаты измерения энергетических свойств плазмотрона
42 Результаты диагностики плазменной струи
43 Результаты измерения скорости напыляемых частиц
44 Исследование свойств покрытий
441 Коррозионные испытания
442 Исследование структуры плазменных покрытий и исходных материалов
443 Определение пористости и адгезии покрытий
444 Цветовые характеристики покрытий
45 Примеры внедрения результатов исследований
46 Выводы
Введение:
Покрытие - слой, создаваемый на поверхности изделий или деталей за счет какого-либо воздействия и придающий ей определенные, отличающиеся от основного материала свойства. Покрытия могут создаваться искусственно или возникать естественным путем.
Искусственно создаваемые покрытия человечество стало использовать с древнейших времен — всевозможные лаки, краски и т.п., затем появились технологии лужения, золочения и серебрения с использованием ртутных амальгам, горячего эмалирования и некоторых других, применявшихся, в основном. с декоративными целями [1]. С началом технической революции, по мере увеличения объема знаний в областях химии и физики, появились новые методы получения покрытий — химическое и электролитическое осаждение, термическое осаждение в вакууме, плазменно-дуговые способы напыления на атмосфере и в вакууме и ряд других, во многом определяющих стремительный ход современной цивилизации [2].
Естественные слои (покрытия) обычно возникают при взаимодействии материала изделия, детали с окружающей средой (воздухом, водой, маслом и другими веществами). Например, на алюминии, при его хранении на воздухе, возникает достаточно прочная оксидная плёнка, предохраняющая деталь от дальнейшего окисления.
На стальных деталях, особенно при хранении во влажном воздухе, также возникает слой оксидов - ржавчина, но он достаточно рыхлый и не предохраняет деталь от разрушения.
Изделия из меди и медных сплавов в естественных условиях покрываются патиной, которая, в зависимости от химического состава сплава и климатических условий может содержать оксиды, сульфиды, сложные соли.
Актуальность задачи. Сохранение культурного наследия и поддержание его в надлежащем состоянии, без сомнения, является достаточно сложной и важной задачей, требующей для своего решения усилий специалистов различных профилей. Не в последнюю очередь это связано со становящейся все более агрессивной окружающей средой, оказывающей на культурные ценности, находящиеся на открытом воздухе, губительное воздействие. Без музеефикации таких объектов они обречены на неминуемое разрушение. Альтернативой этому может служить лишь активное внедрение технологий и материалов, нашедших применение и апробированных в современной промышленности.
Большинство сведений, приводимых в современной технической литературе, касаются вопросов нанесения покрытий на изделия промышленного назначения [3]. Применительно же к художественным предметам используются декоративные покрытия из благородных металлов, эмалей и красок. Для крупноформатных художественных изделий такой подход неприемлем, если он не является элементом авторского замысла.
В связи с вышесказанным, применение плазменной технологии для нанесения защитно-декоративных покрытий на поверхности памятников культуры и искусства представляется весьма актуальной задачей.
Одним из наиболее перспективных методов формирования покрытий в настоящее время является газотермическое и, в частности, плазменное напыление.
Основная цель технологии плазменного напыления - искусственное создание покрытий, предохраняющих изделия или детали от разрушения, а, по возможности, и улучшающих их стойкость, либо изменяющих свойства поверхностных слоев. Следует отметить, что это не полностью охватывает возможности и назначение покрытий. Они могут применяться и с другими назначениями, например, в декоративных целях, когда нанесенный слой придает изделию привлекательный вид - в этом случае его называют защитно-декоративным - и предназначаеятся не только для защиты монументов от атмосферного воздействия, но и для придания объекту определенного цвета, создания искусственной патины. В ряде случаев возникает необходимость сочетания в одной детали ряда характеристик и свойств, не обеспечивающихся применением одного материала — например, поверхность должна иметь отличные от основы электрические, магнитные или механические свойства [4].
Проблемы, связанные с сохранением предметов из металла (памятников, оружия, бытовой утвари, предметов искусства) стоят перед человечеством на протяжении всей его истории. Именно поэтому всегда так высоко ценились предметы из благородных металлов - их стабильные декоративные качества намного превосходили их невысокие механические свойства. Наряду с простыми способами защиты поверхности металлических изделий — наклепом, полировкой, окрашиванием — древние мастера искали и другие, более сложные варианты [5]. К ним можно отнести воронение стальных предметов, лужение, горячее золочение и серебрение (с помощью ртутных амальгам) предметов из медных сплавов. Одним из привлекательных свойств бронзовых изделий было то, что с течением времени на них образовывался природный защитный слой патины, состоящий из сложных соединений оксидов меди и ряда других металлов, входящих в состав бронзы и их солей (в первую очередь углекислых). Поскольку химический состав древних бронз не контролировался, а климатические условия в разных местностях существенно отличались друг от друга, защитные и декоративные свойства патины были весьма различны [6]. Особенно славилась в античные времена так называемая «коринфская бронза», в состав которой входили золото и серебро.
Лишь с наступлением промышленной революции, развитием физики и химии появились возможности осмысленного воздействия на свойства поверхности металлических изделий. Особенный импульс к появлению новых технологий дало открытие электричества и появление первых источников тока, а затем и электротехнологии как отрасли знания. Еще в начале XIX века русским ученым Якоби были разработаны основы гальванопластики, что можно считать первой промышленной технологией современных методов нанесения покрытий [7]. По мере развития электротехнологии, её методы находят применение во всё более широких областях человеческой деятельности. Одной из таких сфер применения можно считать создание защитно-декоративных покрытий на поверхности памятников культуры и искусства.
Цель и задачи работы. Разработка воздушно-плазменной электротехнологии нанесения покрытия, обеспеченной созданием плазмотрона, режимами его работы, формированием свойств защитно-декоративного покрытия, обеспечивающего сохранность культурных ценностей, выполненных из медных сплавов.
Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:
1. Разработка воздушно-плазменного оборудования для получения защитно-декоративных покрытий, предохраняющих культурные ценности от деградации;
2. Установление взаимосвязей между электрическими, газодинамическими и теплофизическими параметрами плазмотронов и характеристиками формируемых покрытий;
3. Анализ влияния режимов работы плазмотронов на характеристики плазменной струи на основе математической модели, описывающей процессы теплообмена и движения нагреваемого материала;
4. Разработка методики экспериментальных исследований закономерностей генерирования плазменной струи и режимов работы плазмотрона для выявления состава и свойств формируемых защитно-декоративных покрытий.
Большое разнообразие методов нанесения покрытий становится, в ряде случаев, проблемой, не имеющей однозначного решения, и зависит от ряда технических, эстетических, экономических и др. вопросов.
Применительно к реставрационным процессам следует в первую очередь обращать внимание на требования по обратимости (т.е. возможности возврата к первоначальному состоянию) и минимальному воздействию на объект [8].
В данной работе предлагается способ создания декоративно-защитного покрытия методом воздушно-плазменного напыления окисленного медного порошка.
Разработкам в области плазменных технологий и теории процессов в плазменных устройствам были посвящены многочисленные публикации как отечественных, так и зарубежных ученых: М.Ф.Жукова, В.С.Клубникина, В.В. Кудинова, О.П.Солоненко, В.Я.Фролова, С.В.Дресвина, П.Фоще. Э. Пфендера и др.
В работах этих и ряда других авторов установлены основные закономерности процессов, происходящих в условиях горения электрической дуги в различных средах, поведения частиц материала вводимых в плазменную струю и ряд закономерностей, определяющих формирование слоев покрытий.
Несмотря на то, что метод плазменного нанесения покрытий нашел применение во многих отраслях промышленности, его использование для формирования защитно-декоративных покрытий на памятниках культуры применяется впервые. Начало этим работам было положено в 2001 году и охватывает широкий круг исследуемых задач.
Достоверность результатов работы подтверждается сравнением результатов расчета с экспериментальными данными, комплексным исследованием характеристик покрытий и практической реализацией предложенной технологии.
При проведении экспериментальных работ и исследовании полученных покрытий применялось следующее оборудование: установка плазменного напыления типа УВПН-40, лабораторный стенд исследования плазмотронов, микроскоп Zeiss Optio с программой компьютерного анализа изображений TIXOMET Pro, сканирующий электронный микроскоп TESCAN VEGA с приставкой для рентгеновского микроанализа, рентгеновский дифрактометр ДРОН -3, потенциостат П 5827, измеритель скорости светящихся объектов ИССО-1. цифровые и аналоговые электроизмерительные приборы.
Методы исследований. В диссертационной работе использовались теоретические положения теплофизики плазменных сред, численные методы решения уравнений баланса энергии электрической дуги и уравнений движения, методы экспериментальной проверки результатов расчетов и современные методы исследования свойств полученных покрытий.
Достоверность результатов работы обеспечивалась обоснованным применением теоретических положений, использованных при проведении расчетов и сопоставлении результатов расчета с экспериментальными данными.
Научная новизна работы. . Основные научные результаты, полученные впервые и защищаемые автором, заключаются в следующем:
1. Разработана электротехнология воздушно-плазменного напыления защитно-декоративных покрытий на основе медного порошка с учетом влияния предварительной подготовки напыляемого материала, обеспечивающих формирование покрытий со свойствами, предотвращающими деградацию культурных ценностей, выполненных из сплавов меди.
2. Разработана новая конструкция высокоскоростного плазмотрона с укороченным электродуговым каналом для воздушно-плазменного нанесения защитно-декоративных покрытий, основанная на результатах анализа условий генерирования струи плазмы и формирования защитно-декоративных покрытий.
3. Определено влияние электротехнологического оборудования и условий напыления частиц на изменение физико-химических характеристик получаемых защитно-декоративных покрытий,
Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заключается в разработке:
• методики проведения экспериментальных исследований, позволяющих соотносить получение требуемых характеристик покрытия с режимами работы оборудования;
• высокоскоростного воздушно-дугового плазмотрона для напыления мелкодисперсных порошковых материалов;
• метода плазменной технологии нанесения защитно-декоративных покрытий на основе меди на памятники культуры и искусства, который был впервые применен при проведении реставрационных работ на ряде объектов.
Полученные данные в результате опытной эксплуатации разработанного электротехнологического оборудования позволяют рекомендовать воздушно-плазменную технологию напыления, а также предложенную модель плазмотрона при нанесении покрытий на основе легкоплавких материалов для практического применения в других областях промышленности.
Разработанный с участием автора данной работы метод реализован при проведении реставрационных работ в рамках договоров с ООО «Интарсия» при участии НУТЦ «Электротехнология» СПбГПУ, ООО «Полиплазма» и подтверждает результаты и достоверность разработанной методики воздушно-плазменной технологии нанесения защитно-декоративных покрытий. Ряд объектов находится в эксплуатации на протяжении 10 лет без заметных проявлений коррозии.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Теоретическое обоснование конструкции воздушно-дугового плазмотрона новой модификации, отличающегося высокоскоростной струей генерируемой плазмы.
2. Результаты экспериментального сравнительного анализа плазменной струи, генерируемой воздушно-дуговыми плазмотронами различных конструкций.
3. Оценка влияния параметров генерируемой плазменной струи на физико-химические характеристики полученных защитно-декоративных покрытий.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на Международных конференциях «Пленки и покрытия - 2005», «Пленки и покрытия -2007» и «Пленки и покрытия -2009».
Публикации по теме работы. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 2 - в изданиях, включенных в перечень ВАК. Получен 1 патент на изобретение.
