64913

Мікроплазмове напилення з використанням дротових матеріалів

Автореферат

Производство и промышленные технологии

Таким чином створення способу МПН з використанням дроту що забезпечує можливість уникнути зазначених недоліків є актуальним і являє собою наступний етап розвитку цієї технології. Технологічний процес розпилення дроту плазмовим струменем з метою отримання сфероідізованих порошків металу почав...

Украинкский

2014-07-22

1.85 MB

1 чел.

PAGE 24


2

3

4

1

5

6

8

7

17000

5000

14000

12000

10000

11000

13000

Т, К

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОЗВАРЮВАННЯ ім. Є.О. ПАТОНА

Кислиця Олександр Миколайович

УДК 621.785.54

мІкроплазмОВе напиленнЯ
З Використанням дротових матеріалів

Спеціальність 05.03.06 – зварювання та споріднені процеси і технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Борисов Юрій Сергійович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідувач відділом захисних покриттів

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Корж Віктор Миколайович,

Національний технічний університет України "КПІ",

професор кафедри інженерії поверхні

доктор технічних наук,

Коржик Володимир Миколайович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідувач відділом електротермічних процесів обробки матеріалів

Захист відбудеться « 22 »грудня 2010 р. о 1000  годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680 м. Київ, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ за адресою: 03680 м. Київ, вул. Боженка, 11.

Автореферат розісланий « 11 » листопада 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д.26.182.01

доктор технічних наук

Л.С. Киреєв


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інженерія поверхні являє собою науково-технічний напрямок, що об'єднує різні процеси обробки поверхні. Метою цих процесів є захист поверхні від руйнівного впливу зовнішніх факторів (зносу, корозії та ін.), а також надання їй нових експлуатаційних властивостей. Одним з таких методів керування властивостями поверхні є нанесення покриттів. До числа методів нанесення покриттів, що активно розвиваються, відноситься газотермічне напилення. Останнім часом прогрес у розвитку цього напрямку у великій мірі пов'язаний з появою нових методів ГТН, наприклад таких як плазмового напилення у динамічному вакуумі (LPPS), високошвидкісне газополуменеве (HVOF), холодне напилення та ін. Їх поява дала змогу підвищити якість покриття і розширити застосування ГТН. До числа таких нових методів ГТН відноситься також мікроплазмове напилення (МПН), головною відмінністю якого є використання плазмотронів малої потужності (до 5 кВт). Ідея використання мікроплазми для нанесення покриттів народилася в ІЕЗ у 80-х роках минулого століття. Перші експерименти були проведені групою В.Л. Богачека в 1980-85 рр. з використанням для цієї мети установки МПУ-4, оснащеної пристроєм для подачі порошку. Отримані позитивні результати стали підставою для розвитку цього напряму в ІЕЗ. У рамках наукової та дослідно-конструкторської тематики було створено спеціалізоване обладнання для МПН, проведено ряд дослідницьких і експериментальних робіт, результатом яких встановлено можливість одержання таким способом покриттів з широкого кола матеріалів – металів, сплавів, оксидів, карбідів. Основні переваги МПН, виявлені при його розвитку в ІЕЗ ім Є.О. Патона, полягають у наступному:

– малому розмірі плями напилення (1...5 мм), що забезпечує високу локальність формування покриття і можливість нанесення покриттів на вироби малих розмірів, а також локального ремонту поверхні;

– подача матеріалу, що напилюється, при виносному аноді в дуговий проміжок забезпечує високу ефективність нагріву порошку;

– можливість формування ламінарного струменя довжиною 100...150 мм. забезпечує нагрів тугоплавких матеріалів в струмені Ar-плазми;

– подача захисного газу (Ar) обмежує домішування повітря в струмінь в процесі напилення.

Найбільш детально було досліджено процес і розроблену технологію МПН біокерамічних покриттів, яка отримала практичне застосування. Обладнання МПН, розроблене в ІЕЗ, знайшло практичне застосування для нанесення покриттів і ремонту деталей газотурбінних двигунів (США, Pratt & Whitnеу), ремонту поверхні виробів (Росія, Прометей).

Останнім часом роботи з МПН з використанням порошків зі створенням обладнання для його реалізації почали розвиватися в Китаї (Welding Research Institute, School of Materials Science and Engineering, Xi'an Jiaotong University).

Проте даному варіанту технології МПН притаманний ряд недоліків, властивих газотермічному напиленню порошків:

– полідисперсність порошків веде до неоднорідності умов нагрівання і прискорення частинок і як наслідок – до неоднорідності структури покриття.

– порошкові дозатори не в змозі забезпечити достатньо точну і стабільну подачу матеріалу.

Крім того, при напиленні порошків МПН з використанням ламінарного струменя існує додаткова вимога до якості порошків – висока плинність, необхідна для подачі їх без пневмотранспорту щоб уникнути порушення режиму течії струменю.

Таким чином, створення способу МПН з використанням дроту, що забезпечує можливість уникнути зазначених недоліків, є актуальним і являє собою наступний етап розвитку цієї технології.

У цілому дротове напилення широко застосовується в умовах газополуменевого напилення, на ньому заснована дугова металізація. Технологічний процес розпилення дроту плазмовим струменем з метою отримання сфероідізованих порошків металу почав свій розвиток в 60-х роках минулого століття як за кордоном (США, Німеччина, Японія) так і в СРСР. Дослідження процесу плазмового розпилення токоведучого дроту були виконані І.Д. Кулагіним, В.А. Петрунічевим В.В. Кудіновим (ІМЕТ АН СРСР, Москва); О.М. Красновим (Інститут проблем матеріалознавства АН УРСР, Київ). Надалі в СРСР був освоєний випуск установок плазмового напилення УПУ, забезпечених пристроєм подачі дроту в плазмовий струмінь. При цьому дріт був нейтральним (тобто без підводу струму). Проте в застосуванні до мікроплазмового процесу такі розробки відсутні.

Серед нових напрямків практичного застосування газотермічних покриттів активний розвиток отримують покриття біомедичного призначення, зокрема для нанесення на різні види ендопротезів. До таких покриттів відносяться покриття, що наносяться з використанням порошків гідроксиапатиту, титану та ін. Однак вони мають не завжди достатній рівень міцності зчеплення і ступінь пористості, які пов'язані з розвитком процесу остеоінтеграції. Тому з точки зору практичного застосування методів дротового МПН актуальною є розробка технології МПН біомедичного покриття з використанням Ti-дроту.

Все вищенаведене вказує на те, що розробка технології МПН з використанням дротових матеріалів (ДрМ), є актуальним завданням.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи - створення технології мікроплазмового напилення покриттів з використанням дротових матеріалів на основі розрахунково-теоретичного аналізу процесу диспергування розплаву напилюваного матеріалу при плавленні нейтрального дроту в умовах мікроплазмового напилення, дослідження енергетичних характеристик мікроплазмотрону і плазмового струменя, що генерується ним при роботі в умовах розпилення дроту, перенесення частинок напилюваного матеріалу, процесу формування покриття та вивчення його властивостей.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі завдання:

визначити і проаналізувати основні особливості процесів плазмового нанесення покриттів з використанням дротових матеріалів;

провести розрахунково-теоретичний аналіз процесу диспергування розплаву матеріалу нейтрального дроту в умовах мікроплазмового напилення;

  дослідити характеристики мікроплазмотрону і плазмового струменя, що генерується ним в умовах напилення з використанням дротових матеріалів;

  дослідити процес переносу частинок плазмовим струменем;

дослідити вплив факторів мікроплазмового напилення з використанням дротових матеріалів на структуру і властивості одержуваних покриттів;

розробити технологію нанесення покриттів з керованою пористістю на різні деталі ендопротезів методом мікроплазмового напилення з використанням дротових матеріалів.

Об'єкт дослідження - процес мікроплазмового напилення покриттів з використанням дротових матеріалів.

Предмет дослідження - вплив умов мікроплазмового напилення з використанням дротових матеріалів на формування та структуру покриттів.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених завдань і отримання основних результатів дисертаційної роботи використовувалися такі методи дослідження як: метод математичного планування експерименту, рентгеноструктурний аналіз, металографічний аналіз, скануюча електронна мікроскопія.

Для визначення швидкості частинок фотоелектричним методом у процесі мікроплазмового напилення використовували прилад ИCCO-1. Дослідження властивостей покриттів проводилося за відомими методиками на зразках зі сталі і титану, міцність зчеплення покриття з основою при відриві проводили за клейовою методикою згідно з ГОСТ-14760-69 і ASTM C 633-79, а при зсуві – згідно з ГОСТ-14759-69 та ISO 45-79 на розривній випробувальній машині Р-50 (максимальне навантаження 50 кН), мікротвердість - на приладі
Leco-M-400, ПМТ-3, пористість - оптичним методом з використанням приладів Neophot-32, Jenavert, цифрове зображення оброблялося програмою Atlas, розрахунки велися за допомогою програм Mathcad, Microsoft Office Excel 2003.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відповідності з:

– відомчою темою: «Разработка материалов и новых технологий получения функциональных покрытий с нетрадиционной, в том числе квазикристаллической, структурой и исследование их свойств», 1.6.1.73.6 1998-1999 рр.;

– відомчою темою: «Разработка научных основ и исследование физико-химических особенностей процессов нанесения покрытий, которые совмещены с синтезом тугоплавких соединений и использованием термоактивных источников тепла», 1.6.1.73.8 2000-2002 рр.;

– науково-дослідною роботою: «Разработка технологии нанесения и исследование титанового покрытия с развитой поверхностью полученного микроплазменным распылением проволоки». 73/3-П 2003 р.

– 6-ою Європейською програмою, проект CRAF-1999-72496 «МикроСпрейМед» 2004-2005 рр.;

– відомчою темою: «Дослідити фізико-металургійні поцеси формування нанокристалічної структури покриттів, розробити способи одержання і склади покриттів з нанокристалічною фазою» 1.6.1.73.10 2004-2006 рр.;

програмою “Ресурс”, проект «Розробка технології виготовлення ендопротезів кульшового суглобу з біосумісними покриттями та виготовлення головної партії для використання у клінічній практиці.» 73/55(8.1) 2007-2009 рр.;

– науково-дослідною роботою: «Дослідження властивостей покриттів з титану та діоксиду титану, що застосовуються у якості покриттів для імплантатів», проект 73/20 НДР молодих вчених НАН України 2008 р.

Наукова новизна отриманих результатів.

В результаті розрахунково-теоретичного аналізу умов розпилювання дроту при мікроплазмовому напиленні встановлено, що ефективне диспергування розплаву в умовах МПН забезпечується при швидкості плазмового струменя 270...430 м/с в залежності від величини сили поверхневого натягу розплаву матеріалу дроту у межах σ = 0,914…2,3 Дж/м2. Показано, що це відповідає встановленій витраті плазмоутворюючого газу Ar в межах 100...300 л/год і супроводжується формуванням турбулентного режиму течії плазмового струменя з числом Рейнольдса Re = 3000...9000. Величина діаметра дроту і швидкості його подачі в зону дуги при МПН залежать від умов теплообміну при нагріванні дроту і теплофізичних властивостей його матеріалу, які визначають його стабільне плавлення в зоні дуги. У разі застосування W, NiCr, Ti діаметр дроту складає 0,2...0,4 мм, швидкість подачі 3...6 м/хв. 

– В результаті вимірювання електричних і теплових характеристик турбулентного мікроплазмового Ar-струменя, що формується в умовах розпилення нейтрального дроту, встановлено, що ВАХ мікроплазмотрону з виносним анодом лінійно зростає в діапазоні струмів 10...60А при зміні витрат плазмоутворюючого газу в діапазоні 100...300 л/год. ККД мікроплазмотрону в цих умовах практично не залежить від величини сили струму і досягає 73%. Максимальна величина ентальпії плазмового Ar-струменя у вказаному діапазоні режимів складає 40 кДж/л, що еквівалентно температурі 17700 К.

– Встановлено, що при мікроплазмовому дротовому напиленні на розмір часток продуктів диспергування розплаву дроту впливають різні чинники процесу. Показано, що головними шляхами управління розміром напилюваних частинок є зміна величини сили струму і витрати плазмоутворюючого газу. Так, мінімальний середній розмір частинок отримано при розпилюванні досліджених дротів (Ti, NiCr, W) в разі поєднання максимальних значень даних робочих параметрів (142 мкм для Ti, 95 мкм для NiCr, і 157 мкм для W), що пов'язано зі зниженням величини поверхневого натягу розплаву металів при перегріві частинок і підвищенням динамічного напору плазмового струменя. Комбінація мінімальних значень сили струму і витрати плазмоутворюючого газу призводить, як правило, до формування частинок з максимальними (або близькими до максимальних) розмірами (342 мкм для Ti, 209 мкм для NiCr і 266 мкм для W). У разі NiCr і Ti спостерігається явище зростання розміру частинок при збільшенні дистанції напилення, що пов'язано з протіканням процесу коагуляції при зіткненні частинок в обсязі струменя.

Встановлено, що в умовах мікроплазмового напилювання формуються покриття зі зниженим вмістом оксидів (до 0,9% в Ti-покритті, до 3,1% в NiCr-покритті, W-покриття практично не містить оксидів). Це обумовлено переходом до використання турбулентного режиму течії плазмового Ar-струменя з скороченням її довжини до 30...50 мм і можливістю напилення при дистанціях 40...80 мм, а також зниженням вільної поверхні напилюваних частинок за рахунок збільшення їх розмірів (150...300 мкм).

Практичне значення отриманих результатів:

– обґрунтовано підхід до вибору діаметра дроту і параметрів процесу мікроплазмового напилення покриттів з використанням дротових матеріалів залежно від фізичних і теплофізичних властивостей використовуваних металів.

– розроблено обладнання для мікроплазмового напилення з використанням дротових матеріалів, до складу якого входить установка МПН-004 та пристрій для подачі нейтрального дроту малого діаметру (0,2...0,4 мм) в дуговий проміжок із забезпеченням стабілізованого регулювання швидкості подачі дроту в межах 1...6 м/хв;

– розроблено технологію мікроплазмового нанесення біосумісного титанового покриття, яка забезпечує можливість отримання покриттів з керованими показниками пористості і шорсткості. Ti-покриття, які отримані за розробленою технологією, задовольняють вимогам ASTM за міцністю зчеплення з основою. Вони пройшли токсиколого-гігієнічне оцінювання і випробування «in-vivo», які підтвердили їх високу біосумісність, і включені до складу ендопротезів кульшового суглоба нового типу, розробленого в Україні.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно поставлені завдання та визначено шляхи їх вирішення, проведені теоретичні та експериментальні дослідження, узагальнено результати, розроблені рекомендації і зроблені висновки.

Автором проведено розрахунково-теоретичний аналіз процесу розпилення дроту мікроплазмовим струменем [7]. Розроблено методику та здійснені експерименти з вимірювання ВАХ та ККД плазмотрону МП-04 для умов мікроплазмового розпилення дротових матеріалів. Проведено експерименти з вивчення процесу диспергування розплаву дроту мікроплазмовим струменем. Проведено експерименти з дослідження впливу параметрів процесу на розмір і швидкість частинок при диспергування матеріалу дроту плазмовим струменем [1, 2, 4, 7, 10]. Проведено сплет-тест і дослідження з визначення ступеня впливу параметрів процесу МПН на коефіцієнт використовування матеріалу (КВМ) [2, 11, 13]. Проведено дослідження з визначення міцності зчеплення Ti-покриттів з основою при відриві і зсуві [5, 11, 12]. Розроблено пристрій для контрольованої подачі дротів малого діаметра в дуговий проміжок мікроплазмового струменю [1, 3, 10 15]. Розроблено технологію нанесення біосумісного пористого титанового покриття для виготовлення ендопротезів кульшового суглоба людини методом мікроплазмового напилення з використанням дротових матеріалів [6, 8, 9, 14, 15].

Апробація результатів дисертації. Робота виконувалася в ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ. Основні наукові положення дисертації доповідалися: на II, III, IV та V всеукраїнських науково-технічних конференціях молодих вчених і фахівців «Зварювання та споріднені Технології», (м. Київ, 2003, 2005, 2007, 2009 рр.); на International Thermal Spray Conference and Exposition "Thermal Spray Solutions Advances in Technology and Application", Osaka, Japan, 2004; на Всеукраїнській науково-технічній Конференції студентів, аспірантів і молодих науковців "Зварювання та споріднені процеси і технології", м. Миколаїв 3-7 вересня 2008 р.; на Міжнародній конференції «Матеріали і покриття в екстремальних умовах» Highmattech 2009 м.Київ, 19-23 жовтня 2009 р.

Публікації. Результати дисертації представлені в 15 опублікованих роботах: 5 статей, з них 3 статті у спеціалізованих наукових журналах, 10 тез доповідей у збірниках науково-технічних конференцій. Список опублікованих робіт наведено в кінці автореферату.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, висновків, списків використаних джерел та додатків. Дисертація має загальний обсяг 164 сторінок машинописного тексту, включаючи 59 малюнків, 31 таблиць, список літератури з 138 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність розробки технології мікроплазмового нанесення покриттів з використанням дротових матеріалів. Сформульовано мету роботи та основні напрямки досліджень. Сформульована наукова новизна і практичне значення отриманих результатів. Показаний особистий внесок автора.

У першому розділі представлено етапи розвитку методу мікроплазмового напилення покриттів. Показані відмітні особливості використання мікроплазмового струменя в процесі отримання покриттів з порошкових матеріалів. Визначено переваги і недоліки методу мікроплазмового напилення покриттів із порошків.

Основні переваги методу МПН – малий розмір плями напилення 1...5 мм, що зводить втрати напилюваного матеріалу при напиленні на малі деталі до мінімуму, низький тепловий вплив на деталь, застосування струменя захисного газу.

Представлений огляд технологій газотермічних методів отримання покриттів, що використовують дротові матеріали. Показано переваги використання дротових матеріалів при напиленні покриттів, до яких відносяться:

– точне, контрольоване дозування напилюваного матеріалу;

– напилення може здійснюватися з усіх матеріалів, які можуть бути отримані у вигляді дроту;

– дріт потрапляє в центральну високотемпературну високошвидкісну область плазмового струменя;

– напилюванні частинки повністю розплавлені.

Недоліком при використанні дротів суцільного перетину є обмеження по складу напилюваного матеріалу.

Представлено обладнання мікроплазмового напилення покриттів – установка МПН-004, плазмотрон МП-04, пристрій для подачі дроту.

Процес МПН з використанням ДрМ поєднує в собі переваги використання мікроплазмового струменя з перевагами використання дротових матеріалів. Застосування струменя захисного газу дає можливість одержувати покриття з пониженим вмістом оксидів. КВМ процесу може досягати 90%.

На підставі проведеного аналізу була поставлена мета даної роботи та визначено завдання дослідження.

У другому розділі наведено опис методів дослідження робочих характеристик мікроплазмотрону, процесу МПН з використанням ДрМ, методик дослідження частинок, які одержувались при розпиленні дротових матеріалів і одержаних покриттів.

Для встановлення характеру взаємозв'язків між умовами розпилення дротових матеріалів і властивостями отриманих покриттів використовувався метод математичного планування експерименту. Виходячи з результатів попередніх експериментів і накопиченого практичного досвіду мікроплазмового напилення з використанням порошків на установці МПН-004, у якості чинників експерименту були обрані: сила струму – I, A, витрата плазмоутворюючого газу – Qпг, л/год, дистанція напилення – H, мм , швидкість подачі дроту – Vдр, м/хв. Ці фактори були включені в матрицю математичного планування експериментів (табл.1).

Для кожного з матеріалів була збудована своя матриця з граничними режимами, при яких спостерігався процес розпилення дроту (табл.2).

Таблиця 1. Матриця математичного планування экспериментів

Таблиця 2. Граничні значення факторів для металів, що розпилюються.

режиму

I, A

Qпг ,

л/год

H,

мм

Vдр,

м /хв

1

+

+

+

+

2

+

+

-

-

3

+

-

+

-

4

+

-

-

+

5

-

+

+

-

6

-

+

-

+

7

-

-

+

+

8

-

-

-

-

9

0

0

0

0

Фактор

W

NiCr 

Ti

min

max

min

max

min

max

I, A

40

60

30

40

16

24

Qпг, л/год

180

300

150

180

140

220

H, мм

40

120

60

100

40

120

Vдр, м/хв

4,0

6,0

3,0

4,0

3,0

3,4

Покриття формується за рахунок нашарування деформованих частинок напилюваного матеріалу - сплетів на поверхню основи і надалі один на одного. Дані сплет-тесту, що характеризують зовнішній вигляд і структуру застиглих на поверхні частинок, дозволяють судити про характер актів індивідуальної взаємодії частинок з основою, тим самим даючи можливість оцінити які характеристики будуть мати покриття, отримані на тих чи інших режимах. Аналіз і класифікація сплетів за зовнішнім виглядом були проведені за допомогою мікроскопа Jenavert, їх фотозйомка проводилася за допомогою цифрового фотоапарата, а також електронного скануючого мікроскопа.

При дослідженні зібраних у воду частинок і структури покриттів застосовували комплексну методику, що включає металографію (прилади Neophot-32, Jenavert), мікродюрометрію (LECO-M-400, ПМТ-3), скануючу електронну мікроскопію.

Для визначення швидкості частинок фотоелектричним методом у процесі мікроплазмового розпилення дротових матеріалів використовували вимірювач швидкостей об'єктів, що світяться ИССО-1.

Вимірювання міцності зчеплення покриттів з основою при відриві проводили за клейовою методикою згідно з ГОСТ-14760-69 і ASTM C 633-79, а при зсуві – згідно з ГОСТ-14759-69 та ISO 45-79 на розривній випробувальній машині Р-50 (максимальне навантаження 50 кН).

При оцінці параметрів пористості по шліфах використовували оптичну методику, яка полягає у визначенні площі, що припадає на виявлені пори, щодо всієї площі шліфа покриття.

Аналіз шліфів проводився з використанням приладів Neophot-32, Jenavert. Цифрове зображення оброблялося програмою «Atlas», яка дозволяє вимірювати пористість методом аналізу зображення за стандартом ASTM B-276, (розміри максимальної та мінімальної пори, кількість і процентне відношення пор за площею).

Для визначення коефіцієнту використання матеріалу проводилося напилення на серію зразків по 3 шт на кожний з 8 режимів з контролем ваги до і після напилення. Після обчислення різниці у вазі поданого матеріалу і напиленого покриття визначали КВМ.

Для аналізу фігури металізації проводили напилення при нерухомому зразку і переміщенні плазмотрону уздовж зразка в горизонтальній площині при 10 проходах. Після фотографування зразка та обробки зображення вимірювали ширину і висоту валика, отримували координати профілю фігури. За допомогою програми Mathcad будувалася фігура металізації, визначалася функція, що її описує і площа.

У третьому розділі наведено опис експериментального обладнання, зразків для напилення, а також характеристики дротових матеріалів, які застосовуються при МПН.

Для проведення експериментів з дослідження процесів, що протікають при МПН з використанням ДрМ, використовувалася установка МПН-004. До складу установки входить мікроплазмотрон МП-04, джерело живлення з панеллю управління, блок охолодження, блок управління витратами газу та управління дозуючими пристроями. Дане обладнання розроблено в ІЕЗ ім. Є.О. Патона (патент України № 1848, клас В23К10/00 від 16.06.2003. Плазмотрон для напилення покриттів. Борисов Ю.С., Войнарович С.Г., Фомакін А.А., Ющенко К.А.)

Автором роботи розроблено пристрій для подачі нейтрального дроту малого діаметру (0,2...0,4 мм) в дуговий проміжок, що дозволяє контрольовано дозувати матеріал, що розпилюється за рахунок стабілізованого регулювання швидкості подачі дроту в межах 1...6 м/хв.

Для проведення досліджень покриттів напилення виконували на плоскі зразки розміром 20х10х3 мм із сталі марки Ст-3 і з титану. Для проведення сплет-тесту використовувалися зразки зі скла товщиною 3 мм і з полірованої нержавіючої сталі товщиною 2 мм.

Для дослідження процесу розпилення дротових матеріалів мікроплазмовим струменем, диспергування розплаву дроту і прискорення одержуваних частинок, формування покриттів і дослідження їх властивостей, були обрані три різних за властивостями матеріалу, що відрізняються значеннями температури плавлення – Tпл, сили поверхневого натягу розплаву – σ і питомої ваги – ρ W (марки ВА), NiCr (сплав Inconel 82) та Ti (марки ВТ1-00). При дослідженні застосовували дроти діаметром 0,3 мм для Ti і NiCr і 0,25 мм для W.

У четвертому розділі проведено розрахунково-теоретичний аналіз процесу розпилення дроту мікроплазмовим струменем.

Важливим елементом процесу плазмового напилення з використанням ДрМ є процес плавлення дроту, диспергування краплі розплаву металу, що утворюється на торці дроту, та формування струменя з частинками напилюваного матеріалу. Для визначення шляхів управління процесом плавлення матеріалу дроту і диспергування розплаву проведено аналіз умов цього процесу.

Аналіз умови відриву краплі в умовах плазмового розпилення дроту показав, що відрив краплі настає, коли напірне зусилля, що створюється струменем (Fc), дорівнюватиме або перевищить силу поверхневого натягу (Fпн), яка утримує її на торці Fc ≥ Fпн.

Fc залежить від швидкості плазмового струменя (υc), а Fпн пропорційна діаметру дроту (dдр) і силі поверхневого натягу розплаву даного металу (σ). Виходячи з умови відриву краплі, можна визначити величину необхідної швидкості мікроплазмового струменя, яка забезпечує ефективне розпилення дроту певного діаметру.

υc ≥                                                         (1)

де dк – діаметр краплі яка утворюється, ρ – питома вага газу струменя.

Розраховано залежність необхідної швидкості мікроплазмового струменя від складу матеріалу і діаметра дроту для випадку розміру діаметр краплі, яка утворюється – 0,2 мм. Результат розрахунків представлений на рис. 1. Встановлено, що в процесі розпилення дроту мікроплазмовим струменем умовою відриву краплі розплаву з торця нейтрального дроту є швидкість мікроплазмового струменя в діапазоні 270...430 м/с, залежно від поверхневого натягу матеріалу дроту (σ = 0,914…2,3). Це відповідає витраті плазмоутворюючого газу в межах 100...300 л/год (тобто в 2…3 рази вище в порівнянні з мікроплазмовим порошковим напиленням), що супроводжується формуванням турбулентного режиму течії плазмового Ar-струменя (Re = 3000...9000).

Рис.1. Залежність величини необхідної швидкості плазмового струменя від поверхневого натягу розплаву різних матеріалів і діаметру дроту.

                       - 0,4 мм

                       - 0,3 мм

                - 0,2мм

Виходячи з розвитку процесу теплообміну між плазмовим струменем і дротом, а також кількості теплоти необхідного для плавлення одиниці довжини дроту, визначається швидкість його подачі в плазмовий струмінь (υдр), при якій буде стабільно протікати процес диспергування розплаву металу.

υдр =                                               (2)

де α – коефіцієнт тепловіддачі, F – площа теплообміну дроту, ρдр – щільність матеріалу дроту, Tс = f(I, Qпг, ВАХ, КПД) – температура струменя,Tпл – температура плавлення матеріалу, T0 - початкова температура дроту, Cp і Lпл – теплоємність і теплота плавлення матеріалу дроту, Sдр – площа перерізу дроту.

У результаті було встановлено, що швидкість подачі дротів W, NiCr, Ti в плазмовий струмінь залежить від коефіцієнту тепловіддачі плазмового струменя, режиму роботи плазмотрону і теплофізичних властивостей матеріалу дроту і знаходиться в межах 3...6 м/хв.

У зв’язку з тим, що процес МПН з використанням ДрМ протікає при підвищених витратах плазмоутворюючого газу (Qпг) і силі струму (I) у порівнянні з МПН порошків виникає необхідність оцінки впливу цих змін на роботу плазмотрону. У даному розділі описані результати дослідження електричних і теплових характеристик плазмотрону, а саме ВАХ та ККД плазмотрону, температури мікроплазмового струменя, впливу витрати плазмоутворюючого газу і сили струму на режим течії й довжину мікроплазмового струменя.

Встановлено, що вольт-амперні характеристики плазмотрону МП-04 в умовах напилення з використанням дротових матеріалів (рис.2), мають лінійний вигляд і є висхідними.

Рис.2. ВАХ плазмотрону МП-04; діаметр сопла - 1 мм, плазмоутворюючий газ - аргон, витрати плазмоутворюючого газу, л/год:

                          - 100

                       - 200

                 - 300

                          - 150

                       - 250

Показано, що зміна сили струму від 15А до 60А у всьому діапазоні витрати плазмоутворюючого газу 100...300 л/год, практично не призводить до зміни термічного ККД мікроплазмотрону МП-04 (рис.3). Також встановлено, що термічний ККД плазмотрону збільшується зі збільшенням витрати плазмоутворюючого газу в діапазоні 100...200 л/год, а в діапазоні витрат 200...300 л/год зростання ККД не спостерігається. Це пояснюється встановленням балансу між енергією, яка відбирається плазмоутворюючим газом і системою охолодження плазмотрону, а також настанням критичних умов, при яких стиснення дуги максимальне і втрати в стінки сопла залишаються на одному рівні. Максимальний ККД мікроплазмотрону МП-04 досягає 75%, що перевищує результат, отриманий, в умовах МПН порошків.

Рис.3. Зміна термічного ККД плазмотрону МП-04 в залежності від витрати плазмоутворюючого газу при різних значеннях сили струму, А:

                              - 15

                         - 45

                              - 30

                         - 60

Розрахунок параметрів плазми показав, що максимальна температура струменя складає 17700 К при мінімальній витраті плазмоутворюючого газу (100 л/год) і максимальній силі струму (60 А), а мінімальна температура становить 5000 К при максимальній витраті плазмоутворюючого газу (300 л/год) і мінімальній силі струму (15 А) (рис. 4).

Рис.4. Зміна ентальпії в залежності від витрати плазмоутворюючого газу для різних значень сили струму, А:

                             - 15

                        - 45

                             - 30

                        - 60

У процесі проведення експериментів було вивчено характер течії мікроплазмового струменя, в умовах розпилення дроту у процесі МПН. Встановлено, що при витраті аргону 100 л/год і силі струму 50А, число Рейнольдса Re дорівнює ~2300, характер течії плазмового струменя є квазіламінарним або перехідним режимом течії, хоча довжина струменя помітно знижується до 50...70 мм в порівнянні з процесом напилення порошків, де його довжина становить 150 мм. При подальшому збільшенні витрати плазмоутворюючого газу (вище 100 л/год) виникає зона перехідного режиму течії, з'являються збурення потоку і відбувається перехід до турбулентного характеру течії плазмового струменя де число Рейнольдса Re ≥ 3000, довжина струменя при цьому скорочується до 30...50 мм. Додатковим фактором турбулізації мікроплазмового струменя є введення дроту, що є деякою перешкодою для струменя і поява в ній продуктів розпилення, які активно беруть участь в перемішуванні шарів плазмового потоку.

Для визначення впливу параметрів процесу МПН на розмір частинок, що утворюються при розпиленні розплаву нейтрального дроту мікроплазмовим струменем, була досліджена залежність середнього розміру частинок (рис.5). Режими процесу розпилення дроту встановлювали згідно матриці планування експериментів (табл.1 і 2).

 

а                                              б                                                в

Рис.5. Залежність середнього розміру частинок від режиму розпилення для:

вольфраму (а), ніхрому (б), титану (в).

У результаті математичної обробки результатів вимірювання отримані наступні рівняння регресії, які встановлюють залежність середнього розміру частинок від умов розпилення:

dчсер(W) = 520,6-3,64I-0,198Qпг -0,097H-12,38Vдр

dчсер(NiCr) = 546-5,05I-1,48Qпг+0,69H-4,79Vдр

dчсер(Ti) =570,58-9,719I-0,872Qпг+0,4H-7,5Vдр

Аналіз рівнянь регресії дозволив визначити вплив факторів процесу на величину середнього розміру частинок для кожного з матеріалів, ступінь диспергування розплаву дроту в умовах МПН.

Таблиця 3. Ступінь впливу різних факторів процесу розпилення дроту на величину середнього розміру частинок для різних матеріалів.

 

W

NiCr

Ti

Сила струму I

↓↓↓

↓↓↓

↓↓↓

Витрати плазмоутворюючого газу Qпг

↓↓

↓↓↓

↓↓↓

Дистанція напилення Н

↑↑

↑↑

Швидкість подачі дроту Vдр

↓↓

В результаті дослідження впливу різних факторів на розмір частинок продуктів диспергування розплаву дроту при мікроплазмовому дротовому напиленні встановлено, що головними шляхами управління розміром напилюваних частинок є зміна величини сили струму і витрати плазмоутворюючого газу (табл. 3). Так, мінімальний середній розмір частинок отримано при розпилюванні всіх досліджених дротів (Ti, NiCr, W) в разі поєднання максимальних значень даних робочих параметрів (142 мкм для Ti, 95 мкм для NiCr, і 157 мкм для W), що пов'язано зі зниженням величини поверхневого натягу розплаву металів при перегріві частинок і підвищенням динамічного напору плазмового струменя. Комбінація мінімальних значень сили струму і витрати плазмоутворюючого газу призводить, як правило, до формування частинок з максимальним (або близькими до максимальних) розмірами (342 мкм для Ti, 209 мкм для NiCr і 266 мкм для W). У разі NiCr і Ti спостерігається явище зростання розміру частинок при збільшенні дистанції напилення, що пов'язано з протіканням процесу коагуляції при зіткненні частинок в обсязі струменя.

Важливим чинником у процесі газотермічного напилення покриттів є швидкість напилюваних частинок, яка визначає їх кінетичну енергію і час перебування в об`ємі струменя, тобто розвиток процесів взаємодії з навколишнім середовищем. Проведене дослідження швидкостей частинок на різних режимах показали у всіх випадках лінійне збільшення швидкості частинок при збільшенні витрати плазмоутворюючого газу Qпг і сили струму I. Крім того спостерігається залежність швидкості частинок від питомої ваги матеріалу, так, наприклад, W-частинки мають швидкість 14…44 м/с, частинки ніхрому 14…72 м/с, частинки титану мають швидкість 21…72 м/с в залежності від режиму розпилення дроту.

У п'ятому розділі представлені дослідження процесу формування шару, вивчені властивості одержуваних покриттів.

Дослідження поведінки частинок розплаву різних матеріалів при деформації на основі (сплет-тест) дозволило встановити вплив параметрів мікроплазмового напилення на стан частинок при взаємодії з основою. Так сплети частинок титану, отримані на режимах № № 1, 2, 4, 6, повністю розплавлені, а на режимах № № 3, 5, 7, 8 видно початок затвердівання частинок на момент їхнього удару з основою (рис.6).

Рис.6. Сплети титану, отримані, при використанні умов напилення згідно матриці.

Ступінь впливу параметрів МПН на величину коефіцієнту використання матеріалу (КВМ) вивчалася із застосуванням методу математичного планування експерименту з використанням матриці, наведеної в табл.1, 2. У результаті обробки експериментальних даних отримано такі рівняння регресії для W, NiCr, Ti:

КВМW%=84,25-0,05·I-0,0375·Qпг-0,069·Н-1,25·Vдр

КВМNiCr%=133,98+0,775·I+0,0175·Qпг-0,069·Н-1,04·Vдр

КВМTi%=22,01+0,53·I+0,084·Qпг-0,241·Н+9,42·Vдр

Аналіз результату дії цих параметрів дозволив визначити вплив змінюваних факторів процесу на величину КВМ для кожного з матеріалів, а також дозволив, задаючи значення параметрів напилення, досягти максимальних значень КВМ при МПН з використанням ДрМ, тим самим показуючи можливість управління цим процесом.

Дослідження структури Ti-покриттів показали можливість поділу їх на 3 групи. На рис.7а показане покриття на режимі № 4 з щільною структурою, яка утворюється з розплавлених частинок (рис.6, режим №4) із середнім розміром 180 мкм, що мають високу швидкість до 40 м/с. Подібна структура спостерігається на режимах № № 1, 2, 6. На рис.7б показане покриття на режимі № 7, з зернистою структурою, де покриття утворюється з розплавлених і частково застиглих частинок (рис.6, режим №7) із середнім розміром 340 мкм, вони мають середнє значення швидкості до 25 м/с. Подібна структура спостерігається на режимах № № 3 і 5. Тут можна спостерігати наявність пор і зернистих включень з затверділих частинок. На рис.7в показане покриття на режимі № 8, з крупнозернистою структурою і великою кількістю пор, де при великій дистанції напилення 120 мм, формування покриття відбувається з частинок, які почали тверднути (рис.6, режим №8) із середнім розміром частинок 270 мкм, які мають незначну швидкість до 20 м/с.

Таким чином встановлено можливість управління пористістю
Ti-покриттів, шляхом зміни параметрів МПН з використанням ДрМ.

  

а                                                  б                                                    в

Рис. 7 Структури титанових покриттів:

режим № 4 (а), режим № 7 (б), режим №8 (в).

Аналіз морфології поверхні Ti-покриттів показав можливість отримання щільних покриттів з низькою пористістю (рис.8,а), де покриття отримано на режимі № 1 і високій (до 500мкм) пористістю (рис.8,б) режим № 8. Висока пористість Ti-покриттів на деталях ендопротезів сприяє проростанню судин у пори покриття, навколо яких буде утворюватися кісткова тканина, що позитивно впливає на закріплення і остеоінтеграцію ендопротезів в організмі людини.

 

а                                               б

Рис. 8. Морфологія Ti-покриттів при збільшенні х20 з низькою пористістю (а) та високою пористістю (б)

Дослідження фігури металізації для МПН з використанням ДрМ показало, що при напиленні покриття з NiCr спостерігається ізотропність геометричних властивостей плями напилення у всіх напрямках у площині напилюваного виробу незалежно від параметрів процесу напилення. Діаметр плями напилення становить 5...10 мм. При цьому профіль фігури металізації описується розподілом Гауса з високою точністю (коефіцієнт кореляції 0,922...0,994).

Встановлено, що кут розкриття мікроплазмового струменя при напиленні з NiCr-дроту діаметром 0,3 мм перебуває в межах 4,6º...9,4º. Отримані результати набагато нижче значень, наведених у літературі для турбулентних струменів, і наближаються до значень для ламінарних плазмових струменів, що ймовірно пов'язано з наявністю обтискаючого струменя захисного газу.

Дослідження фазового складу покриттів показали, що для W-покриття спостерігається тільки одна фаза - W. У покритті NiCr присутні фази NiCr, NiO, NiCr2O4. Ti-покриття містить фази - Ti, оксиди і нітриди титану. Вміст оксидів і нітридів залежить від дистанції напилення та розміру напилюваних частинок. Чим більше дистанція напилення і дрібніше частинки, тим більший вміст оксидів і нітридів у покритті. Так на режимах № № 1, 3, 5, 7 при максимальній дистанції спостерігається підвищений вміст оксидів і нітридів (О2 – 1,6...2,8%, N2 – 1,1...2,8%), а на режимах № № 2, 4, 6, 8 їх знижений вміст (О2 – 0,88...1,1%, N2 – 0,57...1,0%).

Дослідження мікротвердості показало, що її величина пов'язана з утриманням в покритті оксидів і нітридів. Максимальне значення мікротвердості Ti-покриття спостерігається у випадку режиму № 1
(HV
0, 025 = 550 ± 90), мінімальне при режимі № 8 (HV0, 025 = 320 ± 90).

У шостому розділі на підставі вимог, що пред'являються до біосумісних покриттів на ендопротезах і результатів проведених досліджень розроблена технологія мікроплазмового напилення з використанням ДрМ біосумісного Ti-покриття з керованою пористістю.

Біосумісні покриття на ендопротезах повинні відповідати наступним вимогам: товщина покриття 300...500 мкм, розмір пор 150...300 мкм, міцність зчеплення покриттів з основою відповідно до стандарту ISO 13779-2 та ASTM С633 – не менше 15 МПа, пористість до 50%, шорсткість Ra – 150...300 мкм.

Дослідження структури та морфології поверхні Ti-покриттів показали, що цим вимогам задовольняють покриття, які отримано при режимі № 8 (рис.7 в і рис.8 б), з наступними параметрами процесу напилення: робочий струм – 16 А; витрата плазмоутворюючого газу – 140 л/год; дистанція напилення – 40 мм; швидкість подачі дроту – 3 м/хв.

Встановлено, що міцність зчеплення пористих Ti-покриттів з основою, які отримано за розробленою технологією дротового МПН, відповідає вимогам, що пред'являються до покриттів на імплантатах, (25,6 ± 4,6 МПа при випробуванні на зсув та 24,2 ± 3,5 МПА при випробуванні на відрив).

Проведене в Інституті хімії високомолекулярних сполук НАНУ, токсиколого-гігієнічне дослідження Ti-покриття дало позитивні результати. Випробування біосумісності Ti-покриттів з величиною пор 300мкм «in-vivo» показало, що після 90 - і 180 - добового перебування зразків у кістках організму кроликів вони мають найбільшу міцність зчеплення з кістковою тканиною (6,18 МПа) в порівнянні з покриттям з припеченими титановими кульками діаметром 300мкм (1,97 МПа), зразками з струменевоабразивною обробкою (0,05 МПа) і полірованою нержавіючою сталлю (0,017 МПа).

На підставі узагальнення отриманих експериментальних результатів, розроблені технологічні рекомендації з нанесення Ti-покриттів на різні типи ендопротезів. З використанням даних рекомендацій проведено нанесення біосумісних Ti-покриттів на тазостегнові ендопротези, імплантати для міжтілового спондилодезу, дентальні імплантати та ряд інших медичних виробів.

ВИСНОВКИ.

1. В результаті розрахунково-теоретичного аналізу встановлено, що в процесі розпилення дроту мікроплазмовим струменем, умовою відриву краплі розплаву з торця нейтрального дроту є швидкість мікроплазмового струменя в діапазоні 270...430 м/с, залежно від величини сили поверхневого натягу розплаву матеріалу дроту у межах σ = 0,914…2,3 Дж/м2 (для Al - 270 м/с, Ti  330 м/с, NiCr - 370 м/с, W - 430 м/с). Це відповідає встановленій витраті плазмоутворюючого газу в межах 100…300 л/год (тобто в 2-3 рази вище в порівнянні з мікроплазмовим порошковим напиленням), що супроводжується формуванням турбулентного режиму течії плазмовго Ar-струменя (Re = 3000...9000).

2. Встановлено, що в умовах мікроплазмового напилення з використанням дротових матеріалів при діаметрі формуючого струмінь сопла 1мм при витратах плазмоутворюючого газу в межах 100...300 л/год і потужності плазмового струменя до 2,5 кВт діаметр дроту, який розпилюється, в залежності від фізичних властивостей розпиляного матеріалу (температури плавлення, теплофізичних властивостей і сили поверхневого натягу краплі розплаву) повинен становити в разі W - 0,2 мм, Ti-0,3 мм, NiCr -0,3 мм.

3. Встановлено, що швидкість подачі дроту в зону струменя при мікроплазмовому розпиленні, при якій забезпечується стабільне протікання процесу розпилення, визначається величиною теплоти, необхідної для плавлення одиниці об'єму дроту, і залежить від його діаметра, теплофізичних властивостей розпиляного матеріалу та ентальпії плазмового Ar-струменя. Швидкість подачі для дротів Ti, NiCr, W становить 3...6 м/хв.

4. В результаті вимірювання електричних і теплових характеристик турбулентнго мікроплазмового Ar-струменя при розпиленні нейтрального дроту встановлено, що ВАХ мікроплазмотрону з виносним анодом в цих умовах лінійно зростає в діапазоні струмів 10...60А для витрат плазмоутворюючого газу 100...300 л/год, а ККД мікроплазмотрону практично не залежить від величини сили струму і зростає з 48% до 73% з збільшенням витрати плазмоутворюючого газу від 100 до 200 л/год. Подальше збільшення витрати плазмоутворюючого газу до 300 л/год не призводить до зміни ККД. Розрахункова величина ентальпії плазмового струменя в цих умовах досягає 40 кДж/л, що еквівалентно температурі Ar-струменя 17700К.

5. В результаті дослідження впливу різних факторів на розмір частинок продуктів диспергування розплаву дроту при мікроплазмовому дротовому напиленні встановлено, що головними шляхами управління розміром напилюваних частинок є зміна величини сили струму і витрати плазмоутворюючого газу. Так мінімальний середній розмір частинок отримано при розпилюванні всіх досліджених дротів (Ti, NiCr, W) в разі поєднання максимальних значень вказаних робочих параметрів (142 мкм для Ti (I = 24A, Qпг = 240 л/год), 95 мкм для NiCr (I = 40A, Qпг = 180 л/год), і 157 мкм для W (I = 60A, Qпг = 300 л/год)), що пов'язано зі зниженням величини поверхневого натягу розплаву металів в результаті перегріву частинок і підвищення динамічного напору плазмового струменя. Комбінація мінімальних значень сили струму і витрати плазмоутворюючого газу призводить, як правило, до формування частинок з максимальними (або близькими до максимальних) середніми розмірами (342 мкм для Ti (I = 16A, Qпг = 140 л/год), 209 мкм для NiCr (I = 30A, Qпг = 150 л/год) і 266 мкм для W (I = 40A, Qпг = 180 л/год)). У разі NiCr і Ti спостерігається явище зростання розміру частинок при збільшенні дистанції напилення, що пов'язано з протіканням процесу коагуляції при зіткненні частинок в об`ємі струменя.

6. Вимірювання швидкості польоту частинок при розпилюванні нейтрального дроту мікроплазмовим струменем фотоелектричним методом показало, що при збільшенні витрати плазмоутворюючого газу від 150 до 300 л/год вона обернено пропорційна питомій вазі металу, який розпилюють. Так, швидкість руху частинок титану зростає з 20 до 75 м/сек (при одночасній зміні сили струму з 20 до 40 А відповідно), частинок сплаву NiCr з 15 до 70 м/сек (при зміні сили струму з 20 до 50 А), частинок вольфраму-з 15 до 45 м/сек (при зміні сили струму з 40 до 60 А).

7. Дослідження виду сплетів (W, Ti, NiCr), отриманих при різних режимах напилення, показало, що при дистанціях напилення понад 70 мм і потужності плазмового струменя до 2 кВт відбувається зниження КВМ за рахунок утворення затверділого шару на поверхні частинок і збільшення частки втрат при відскоку , а з зменшенням дистанції напилення до 30...40 мм значення КІМ різко знижуються за рахунок виникнення ефекту розбризкування частинок.

8. Аналіз фігури металізації при напиленні покриття з NiCr показав ізотропність геометричних властивостей плями напилення у всіх напрямках у площині напилюваного виробу незалежно від параметрів процесу напилення. При цьому профіль фігури металізації описується розподілом Гауса з високою точністю (коефіцієнт кореляції 0,922...0,994).

9. При мікроплазмовому розпиленні нейтрального дроту за рахунок турбулентного режиму течії плазмового струменя його довжина скорочується. Це дозволяє вести процес напилення при скороченні дистанції напилення до 40...80 мм, що веде до зменшення часу перебування розплавлених частинок в струмені і обмеження часу їх взаємодії з навколишнім середовищем і, як наслідок, зниження ступеня окислення і азотування матеріалу покриття (до 0,9% оксидів - в Ti-покритті, до 3,1% оксидів в NiCr-покритті, W-покриття практично не містить оксидів).

10. Встановлено умови формування Ti-покриттів з розвиненою поверхнею і порами величиною 150...300 мкм, що відбувається при наявності не менше 50% частинок розміром 200...250 мкм і досягається при витраті газу 100 л/год, швидкості подачі дроту 3...4 м/хв і потужності струменя до 1 кВт.

11. Дослідження біосумісності Ti-покриттів «in-vivo» показали, що після перебування зразків в кістках організму кроликів вони мають найбільшу міцність зчеплення з кістковою тканиною (6,18 МПа) в порівнянні з покриттям з припеченими титановими кульками (1,97 МПа), зразками з струменевоабразивною обробкою (0,05 МПа) і полірованою нержавіючою сталлю (0,017 МПа). Токсиколого-гігієнічні дослідження Ti-покриттів дали позитивні результати. Розроблено технологічні рекомендації з нанесення Ti-покриттів на різні типи ендопротезів методом МПН з використанням дротових матеріалів. Результати медичних випробувань довели, що метод мікроплазмового напилення з використанням дротових матеріалів є придатним для створення біосумісних покриттів для подальшого клінічного впровадження.

СПИСОК ОПублІКОВАНиХ праць за темою дисертації

1. Борисов Ю.С. Микроплазменное напыление с использованием проволочных материалов / Борисов Ю.С., Кислица А.Н. // Автомат. Сварка – 2002 г. – № 3 – С.54-55

2. Исследование влияния параметров микроплазменного напыления на коэффициент использования материала / Борисов Ю.С., Войнарович С.Г., Кислица А.Н., Ульянчич Н.В. // Сборник тезисов 2 Всеукраинской научно-технической конференции молодых ученных и специалистов (25-27 июня 2003г.), Киев – С.38

3. Борисов Ю.С. Микроплазменное напыление с использованием проволочных материалов / Борисов Ю.С., Войнарович С.Г., Кислица А.Н. // Сборник тезисов 2 Всеукраинской научно-технической конференции молодых ученных и специалистов (25-27 июня 2003г.), Киев – С.36

4. Borisov Yu. Microplasma wire spraying / Borisov Yu., Voynarovich S.G., Kislitsa A.N, // Proc. of the Int. Thermal Spray Conference and Exposition ITSC 2004 “Thermal Spray Solutions Advances in Technology and Application” Япония, Осака 2004 г. – С.480-484

5. Войнарович С.Г. Микроплазменные титановые покрытия с развитой поверхностью / Войнарович С.Г., Кислица А.Н. // Збірка тезисів ІІI Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів ”Зварювання та суміжні технології” 25-27 травня 2005р., Київ. С.51

6. Експериментально-біомеханічне та морфологічне обґрунтування пористого титанового та титан-гідроксиапатитного покриття для безцементного ендопротеза кульшового суглоба / Гайко Г.В., Бруско А. Т., Підгаєцький В. М., Борисов Ю. С., Войнарович С.Г., Кислица А.Н // Вісник ортопедії, травматології та протезування № 4(47) - 2005 г. – С.13-20

7. Борисов Ю.С. Особенности процесса микроплазменного напыления из проволочных материалов / Борисов Ю.С., Войнарович С.Г., Кислица А.Н. // Автомат. Сварка – 2006 г. – № 6, – С.26-31

8. Кислица А.Н. Пористые титановые покрытия на деталях эндопротезов тазобедренного сустава, получаемые методом микроплазменного напыления / Кислица А.Н. // Матеріали ІV Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів ”Зварювання та суміжні технології”23-25 травня 2007р., Київ. ,– С.75

9. Влияние параметров микроплазменного напыления на структуру, фазовый состав и текстуру покрытий из гидроксиапатита / Борисов Ю.С., Борисова А.Л., Войнарович С.Г., Кислица А.Н., Туник А.Ю., Карпец М.В. // Автомат. сварка, – 2008 г. – № 4 – С. 15 – 20

10. Микроплазменное напыление с использованием проволочных материалов / Борисов Ю.С., Войнарович С.Г., Кислица А.Н., Кузьмич-Янчук Е.К. // Збірка тезисів Всеукраїнської науково-технічної конференції студентів, аспірантів і молодих науковців ”Зварювання та споріднені процеси і технології” 3-7 вересня 2008р., Миколаїв. – С.75-76

11. Микроплазменные титановые покрытия с развитой поверхностью / Борисов Ю.С., Войнарович С.Г., Кислица А.Н., Кислица Н.Ю. // Збірка тезисів Всеукраїнської науково-технічної конференції студентів, аспірантів і молодих науковців ”Зварювання та споріднені процеси і технології” 3-7 вересня 2008р., Миколаїв. – С.71-72

12. Войнарович С.Г. Исследование влияния подслоев из титана и диоксида титана на прочность сцепления с основой покрытий из гидроксиапатита / Войнарович С.Г., Кислица А.Н., Кузьмич-Янчук Е.К. // Збірка тезисів V Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів ”Зварювання та суміжні технології” 27-29 травня 2009р., Київ. – С.79

13. Получение узких дорожек методом микроплазменного напыления из Ni-Cr проволоки / Кислица А.Н., Войнарович С.Г., Кузьмич-Янчук Е.К., Кислица Н. Ю. // Збірка тезисів V Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів ”Зварювання та суміжні технології” 27-29 травня 2009р., Київ. – С.94

14. Микроплазменное напыление биокерметных покрытий для эндопротезов / Гайко Г.В., Підгаєцький В. М., Борисов Ю. С., Войнарович С.Г., Кислица А.Н., Кузьмич-Янчук Е.К. // Сборник тезисов международной конференция «Материалы и покрытия в экстремальных условиях» Highmattech 2009 19–23 октября – 2009г. Киев, Украина. – С.334

15. Двухслойное биокерметное покрытие титан-гидроксиапатит / Ющенко К.А. Борисов Ю. С., Войнарович С.Г., Кузьмич-Янчук Е.К., Кислица А.Н., Гайко Г.В., Підгаєцький В. М. // Сборник трудов посвященный выполнению комплексной программы „Проблеми ресурсу безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин”- Київ, – 2009р. С.542-547

АНОТАЦІЯ

Кислиця О. М. Мікроплазмове напилення з використанням дротових матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 "Зварювання та споріднені процеси і технології". - Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2010 р.

Дисертація присвячена розробці технології мікроплазмового напилення покриттів з використанням дротових матеріалів.

Розрахунково-теоретичний аналіз процесу диспергування розплаву матеріалу нейтрального дроту в умовах мікроплазмового напилення показав, що умовою відриву краплі розплаву з торця дроту є необхідна швидкість мікроплазмового струменя, яка залежить від властивостей матеріалу дроту, головним чином від величини поверхневого натягу його розплаву. Величина діаметра дроту і швидкість його подачі при МПН залежить від теплофізичних властивостей матеріалу дроту, які визначають його стабільне плавлення в зоні дуги.

Визначено ВАХ та ККД мікроплазмотрону для умов мікроплазмового напилення з дротових матеріалів. Розраховані ентальпія і температура плазмового струменя. Досліджено вплив технологічних параметрів на характер течії плазмового струменя.

Ступінь впливу різних чинників процесу розпилення дроту на величину середнього розміру частинок для різних матеріалів при диспергуванні розплаву дроту плазмовим струменем, а також на КІМ визначена із застосуванням методу планування багатофакторного експерименту. Отримано лінійні регресійні моделі, що показують вплив найбільш істотних параметрів процесу (сили струму, витрати плазмоутворюючого газу, дистанції напилення, швидкості подачі дроту) на формування струменя частинок напилюваного матеріалу і комплексу характеристик покриттів з W, NiCr і Ti.

Визначено швидкості частинок напилюваного матеріалу при МПН, які залежать від сили струму і витрати плазмоутворюючого газу і обернено пропорційні питомій вазі матеріалу, що розпилюється.

Проведено дослідження фігури металізації для МПН з використанням NiCr-дроту. Визначено розміри плями напилення та кута розкриття мікроплазмового струменя.

Показано, що у зв'язку з можливістю скорочення дистанції напилення при дротовому МПН досягається знижений вміст у покриттях оксидних і нітридних фаз.

У результаті встановлення можливості управління макропористості
Ti-покриттів при дротовому МПН, відповідності величини їх зчеплення з основою з Ti-сплаву на відрив і на зрушення, вимогам ASTM С633, а також даними випробувань цих покриттів «in-vivo», показана ефективність їх застосування при виготовленні ендопротезів різного призначення (тазостегнових, дентальних та ін.)

Ключові слова: мікроплазмове напилення, дротові матеріали, характеристики плазмотрону, структура, властивості покриттів, біосумісні Ti-покриття.

Аннотация

Кислица А. Н. Микроплазменное напыление с использованием проволочных материалов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 Сварка и родственные процессы и технологии ”. – Институт электросварки им. Е.О. Патона НАНУ, Киев, 2010 г.

Диссертация посвящена разработке технологии микроплазменного напыления покрытий с использованием проволочных материалов.

Установлены основные технологические особенности процесса микроплазменного напыления из проволочных материалов и определены факторы, оказывающие наибольшее влияние на процесс напыления и свойства покрытий.

Расчетно-теоретический анализ процесса диспергирования расплава материала нейтральной проволоки в условиях микроплазменного напыления показал, что условием отрыва капли расплава с торца нейтральной проволоки является необходимая скорость микроплазменной струи, которая зависит от свойств материала проволоки, главным образом от величины поверхностного натяжения ее расплава и для σ = 0,914…2,3 Дж/м2 составляет 270430 м/с. Это соответствует устанавливаемому расходу плазмообразующего газа в пределах 100…300 л/ч. Данные величины расхода плазмообразующего газа приводят к турбулентному характеру истечения плазменной струи (Re =5000…9000).

Величина диаметра проволоки и скорость её подачи в зону дуги при МПН зависит от теплофизических свойств её материала, которые определяют её стабильное плавление в зоне дуги. В случае применения проволок W, NiCr, Ti диаметр проволоки составляет 0,2…0,4 мм, а скорость подачи – 3…6 м/мин.

Определены ВАХ микроплазмотрону с выносным анодом и защитным соплом для условий микроплазменного напыления из проволочных материалов. Исследовано влияние технологических параметров на КПД плазмотрона, который достигает 73%, температура плазмы при этом достигает 17700К.

Степень влияния различных факторов процесса распыления проволоки на величину среднего размера частиц для различных материалов при диспергировании расплава проволоки плазменной струей, а также на КИМ определена с применением метода планирования многофакторного эксперимента. Математическая обработка полученных данных позволила получить линейные регрессионные модели, показывающие влияние наиболее существенных параметров процесса (силы тока, расхода плазмообразующего газа, дистанции напыления, скорости подачи проволоки) на формирование струи частиц напыляемого материала и комплекса характеристик покрытий из W, NiCr и Ti. в условиях микроплазменного напыления с использованием проволочных материалов.

Для условий микроплазменного напыления из проволочных материалов определены скорость частиц напыляемого материала, которая зависит от силы тока и расхода плазмообразующего газа и обратно пропорциональна удельному весу распыляемого материала. Скорость достигает для  Ti-частиц – 75 м/сек, частиц NiCr – 70 м/сек, W-частиц – 45 м/сек.

Проведено исследование фигуры металлизации для МПН с использованием NiCr-проволоки. Установлено, что профиль фигуры металлизации описывается распределением Гаусса. Диаметр пятна напыления составляет 5…10 мм, угол раскрытия струи находится в пределах 4,6°…9,4°, что  сравнимо с данными для ламинарных плазменных струй, и вероятно связано с наличием обжимающей струи защитного газа.

Показано, что в связи с возможностью сокращения дистанции напыления при проволочном МПН до 40…60 мм достигается пониженное содержание в покрытиях оксидных и нитридных фаз. Так для Ti-покрытия минимальные значения составили О2 - 0,88%, N2 – 0,57%.

В результате установления возможности управления макропористостью Ti-покрытий при проволочном МПН, соответствия величины их сцепления с основой из Ti-сплава на отрыв (25,6±4,6МПа) и на сдвиг (24,2±3,5 МПа) требованиям ASTM С633, а также данным испытаний этих покрытий «in-vivo», показана эффективность их применения при изготовлении эндопротезов различного назначения (тазобедренных, дентальных и др.).

Ключевые слова: микроплазменное напыление, проволочные материалы, характеристики плазмотрона, структура, свойства покрытий, биосовместимые Ti-покрытия.

Abstract

Kyslytsya O.M. Microplasma wire spraying. – Manuscript

The thesis for a candidate of technical sciences degree in speciality 05.03.06 “Welding and RelatedProcesses and Technologies” - E.O.Paton Electric Welding Institute, NAS of Ukraine, Kyiv, 2010

The thesis is dedicated to development of the technology for microplasma spraying of coatings by using wire consumables.

The calculation-theoretical analysis of the process of dispersion of a neutral wire material melt under microplasma spraying conditions showed that the requirement for detachment of a drop of the melt from the wire tip is achievement of a certain velocity of the microplasma jet, which depends on the properties of the wire material and, primarily, on the value of surface tension of the melt. Diameter of the wire and speed of its feeding to the arc zone during MPS depend on the thermal-physical properties of its material, which determine its stable melting within the arc zone.

Volt-ampere characteristics and efficiency of the miroplasmatron were determined for the microplasma wire spraying conditions. Enthalpy and temperature of the plasma jet were calculated. The effect of process parameters on the character of outflow of the plasma jet was studied.

The degree of impact of different factors of the wire spraying process on the average size of particles for different materials in dispersion of the wire melt by the plasma jet, as well as on the material utilization coefficient was determined by using the multifactorial experiment design. Linear regression models were developed, showing the effect of the most significant process parameters (current, plasma gas flow rate, spraying distance, wire feed speed) on formation of a jet of the spraying material particles and a set of characteristics of the W, NiCr and Ti coatings.

Velocities of the spraying material particles in MPS, which depend on the current and plasma gas flow rate and are inversely proportional to the specific weight of the spraying material, were determined.

The metalizing figure for MPS by using the NiCr wire was investigated. Sizes of the spraying spot and micrplasma jet opening angle were determined.

It was shown that a lower content of oxide and nitride phases could be achieved in a coating owing to the possibility of decreasing the spraying distance in wire MPS.

Establishing the possibility of controlling macroporosity of Ti-coatings in wire MPS and correspondence of the value of their adhesion to the Ti-alloy substrate in tensile and shear tests to the ASTM C633 requirements, as well as the data of testing these coatings “in-vivo” proved the efficiency of applying them for manufacture of various-purpose endoprostheses (hip joint, dental, etc.).

Key words: microplasma spraying, wire consumables, characteristics of plasmatron, structure, properties of coatings, biocompatible Ti-coatings

Підп. до друку 05.11.2010 р. Формат 60х84/16. Пап. офс. №1. Офс. друк.

Ум. друк. арк. 1,0. Ум. фарбо-відб. 1,0. Тираж 120 прим. Зам. № 1089

ПОД ІЕЗ ім. Є.О. Патона, 03680, Київ – 150, МСП, вул. Антоновича, 69


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75645. Особенности фонетических ориентировок у детей с речевой патологией 20.41 KB
  Особенности фонетических ориентировок у детей с речевой патологией Актуальные проблемы механизмов и структуры нарушений устной и письменной речи: материалы междунар. Функционирование фонетического чутья позволяет ребёнку улавливать правильность фонетического оформления речи дифференцировать нормативное...
75646. Формирование невербальных основ речи в доречевой период 282.28 KB
  Формирование невербальных основ речи в доречевой период Инновационные подходы к профилактике нарушений развития Под ред. Человека впервые заинтересовавшегося вопросом развития речи ребёнка может удивить и обескуражить выбранное нами название. Основы для развития речи закладываются задолго до того когда будут произнесено первое слово. Учёные наблюдавшие за развитием младенцев находящихся в разных социальных условиях смогли выделить невербальные неречевые факторы определяющие интенсивность и качество развития речи малыша.
75647. Амвросова О.А. Рефлексия в общении как условие социализации дошкольников с общим недоразвитием речи 39.82 KB
  Основные подходы к исследованию рефлексии В рамках философского подхода рефлексия рассматривается как процесс размышления индивида о происходящем в его собственном сознании. Уже у Аристотеля Платона и позже у средневековых схоластов можно найти много глубоких рассуждений касающихся разных сторон того что сейчас относится к рефлексии все же принято считать что основной и специфический круг проблем связываемых сегодня с этим понятием зарождается лишь в новое время а именно благодаря полемике...
75648. О доминирующих мотивах деятельности детей старшего дошкольного возраста с нарушениями речи 21.09 KB
  В отечественных и зарубежных логопедических исследованиях уделяется много внимания вопросам объема, характера и качества речевых навыков, знаний, которые должны быть усвоены детьми с недоразвитием речи. Однако такой важнейший компонент деятельности, как мотивация
75649. Отношение дошкольников с ОНР к социальным нормам и правилам поведения как показатель их социального развития 31.68 KB
  Социальное развитие детей с недоразвитием речи должным образом не формируется О. В силу специфики речевого нарушения у детей ограничены контакты со взрослыми и сверстниками полноценно не осуществляется процесс общения что значительно осложняет социализацию детей. В поведении детей с ОНР отмечается ряд специфических особенностей: большое число конфликтов неумение договариваться учитывать интересы других уступать в спорах наличие рассогласования в реальном и декларируемом поведении....
75650. К вопросу о проблеме социально-психологической готовности детей с общим недоразвитием речи к обучению в школе 42 KB
  Поступление в школу является переломным моментом в жизни каждого ребенка, особенно резким в социально-психологическом статусе, так как ему приходится переходить к новым условиям деятельности, новому положению в обществе, новым взаимоотношениям со взрослыми и сверстниками
75652. Угрозы социальному развитию детей с ограниченными возможностями здоровья в дошкольном, младшем школьном и подростковом возрасте 68.84 KB
  Угрозы социальному развитию детей с ограниченными возможностями здоровья в дошкольном младшем школьном и подростковом возрасте Вестник Череповецкого государственного университета: Научный журнал. Социальное развитие детей заключающееся в усвоении социального опыта и социальных связей определяется социальной средой её качественными и количественными характеристиками. Ограниченные возможности здоровья оказывают влияние на разные компоненты социального развития детей. Общая закономерность развития детей с ОВЗ заключается в затруднениях...
75653. Особенности понимания и отражения в речи причинно-следственных отношений детьми дошкольного возраста с ОНР 81.5 KB
  Причинно-следственные отношения - одна из важнейших семантических категорий естественных языков. Причина и следствие образуют диалектическое единство