Исследование физико-химических процессов получения порошковых покрытий газоплазменным методом

Цели и задачи
Целью настоящей работы являлось исследование влияния термодинамических параметров гетерогенной плазменной струи на формирование покрытий c заданными функциональными свойствами, в частности, покрытий с защитными свойствами на различных подложках.
Решались следующие задачи:
Исследование состава и термодинамических характеристик плазмообразующих газов (Ar, N2, H2, смеси xAr + (1-x)N2, xAr + (1-x)H2) в зависимости от температуры с применением методов термодинамического моделирования.
Моделирование равновесного состава и термодинамических свойств систем "плазма + частица".
Моделирование формирования покрытий с использованием программного комплекса «Plasma 2002».
Практическое применение метода плазменного напыления для получения покрытий с защитными свойствами на стальных (чугунных) подложках.
ГУ ИМЕТ УрО РАН
Лаборатория математического
моделирования металлических,
оксидных и солевых систем

Процесс
плазменного
напыления
ГУ ИМЕТ УрО РАН
Лаборатория математического
моделирования металлических,
оксидных и солевых систем

Энтальпия системы
"плазма + частица".
Состав плазмообразующего газа - 70%Ar+30%N2.
Частица -оксиды
ГУ ИМЕТ УрО РАН
Лаборатория математического
моделирования металлических,
оксидных и солевых систем
ГУ ИМЕТ УрО РАН
Лаборатория математического
моделирования металлических,
оксидных и солевых систем

Программный комплекс «PLASMA 2002»
ГУ ИМЕТ УрО РАН
Лаборатория математического
моделирования металлических,
оксидных и солевых систем

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ И НАГРЕВА
ЧАСТИЦ ПОРОШКА В ПЛАЗМЕННОЙ СТРУЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ
КОМПЬЮТЕРОНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Исследования проведены со следующими исходными данными:
• плазмообразующий газ - N2;
• материал напыляемого порошка - оксид алюминия Аl2O3;
• начальный диаметр частиц – 63 мкм;
• начальная температура - 300 K;
• дистанция напыления - 200 мм;
• начальная скорость ввода частиц изменялась от 2 до 14 м/с (с шагом 2 м/с)/
Исследовалось влияние начальной скорости ввода частиц в плазменную струю на:
- траекторию движения частиц в плазменной струе;
- изменение скорости полета частиц порошка вдоль оси плазменной струи с момента их ввода;
- изменение температуры в центре частицы при нахождении в плазменной струе.
ГУ ИМЕТ УрО РАН
Лаборатория математического
моделирования металлических,
оксидных и солевых систем

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НАГРЕВА И ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦ ПОРОШКА В ПЛАЗМЕННОЙ СТРУЕ
ГУ ИМЕТ УрО РАН
Лаборатория математического
моделирования металлических,
оксидных и солевых систем

Траекторию движения частиц в плазменной струе
ГУ ИМЕТ УрО РАН
Лаборатория математического
моделирования металлических,
оксидных и солевых систем

Изменение скорости полета частиц порошка вдоль оси плазменной струи с момента их ввода
ГУ ИМЕТ УрО РАН
Лаборатория математического
моделирования металлических,
оксидных и солевых систем

Изменение температуры в центре частицы при нахождении в плазменной струе
ГУ ИМЕТ УрО РАН
Лаборатория математического
моделирования металлических,
оксидных и солевых систем

Таблица 1.
ГУ ИМЕТ УрО РАН
Лаборатория математического
моделирования металлических,
оксидных и солевых систем
ГУ ИМЕТ УрО РАН
Лаборатория математического
моделирования металлических,
оксидных и солевых систем

Комплексное моделирование процесса плазменного напыления
Исследования проведены со следующими исходными данными:
• плазмообразующий газ – Ar (100%), Ar+H (90%+10%);
• материал напыляемого порошка - Аl2O3, TiO2, ZrO2;
• начальный диаметр частиц – D = 40 мкм;
• начальная температура - 300 K;
• дистанция напыления - 200 мм;
• начальная скорость 8 – 12 м/с.
ГУ ИМЕТ УрО РАН
Лаборатория математического
моделирования металлических,
оксидных и солевых систем

TiO2
ГУ ИМЕТ УрО РАН
Лаборатория математического
моделирования металлических,
оксидных и солевых систем
Траектория полета частиц
Динамика изменения напряжений
в интерфейсном слое системы покрытие-основание

Таблица 2.
ГУ ИМЕТ УрО РАН
Лаборатория математического
моделирования металлических,
оксидных и солевых систем

Плазменное напыление износостойких покрытий порошков на основе AlxOy, TiOy, ZrOy.
Эксперимент 1: Получение двухслойного износостойкого покрытия (основа - серый чугун, марки СЧ-10, подслой - механическая смесь ПН85Ю15 и ПН70Ю3О, защитный слой – многокомпонентный порошок МКП 1 (Аl2О3 и ZrO2).
Разработан технологический процесс восстановления волочильных пирамид ЗАО «Уралкабель».
Эксперимент 2: Получение термостойкого покрытия. Порошковые материалы: подслой – ПТНА-01; основные слой – Al2O3 (механическое плакирование мелкодисперсным Al); МКП 2 (основа TiO2c подшихтовкой ПГСР-3, 4 от 10 до 50%).
Разработан технологический процесс упрочнения металлических отжиговых поддонов для прокалки катализаторов.
ГУ ИМЕТ УрО РАН
Лаборатория математического
моделирования металлических,
оксидных и солевых систем