Особенности повышения эксплуатационных характеристик деталей машин на основе функционально-ориентированных покрытий
А. Михайлов, М. Петров, Е. Сыдорова и Д. Михайлов
Донецкий национальный технический университет
Введение
Обеспечение свойств деталей машин на основе нанесения специальных покрытий является одним из перспективных направлений повышения их качества [1, 2, 3, 4]. Существующие виды покрытий позволяют решать множество задач, связанных с повышением качества деталей машин, а именно: обеспечивать защиту поверхностного слоя детали от коррозионных воздействий, процессов окисления, солевой и эрозионной повреждаемости, влияния кислот и щелочей; снижать повреждаемость основного материала; повышать теплостойкость детали и её параметры; уменьшать влияние радиации на основной материал; решать конструкторские и эстетические задачи, а также весь комплекс других вопросов.
Для создания покрытий деталей машин используются различные материалы и их сочетания, композиции и структуры веществ. Применяются металлические, интерметаллидные, композиционные и ком-позиционные, а также сложные и комбинированные покрытия. Покрытия поверхностей деталей машин могут быть однослойными и многослойными.
Для нанесения покрытий на детали машин используется множество различных методов. Наиболее перспективными методами нанесения покрытий являются химическое осаждение (HT-CVD), физическое осаждение (PVD), электролитический метод, газо-термическое напыление, электроискровое легирование и наплавка.
Применение различных видов покрытий позволяет повысить эксплуатационные характеристики деталей машин и решить весь комплекс функциональных задач. Однако характер службы деталей с покрытиями часто связан со сложными видами их повреждений, а именно:
? неравномерный износ покрытия;
? локальное коррозионное, эрозионное и другие виды воздействий на покрытие;
? влияние неравномерной удельной контактной нагрузки на поверхность покрытия;
? сложное воздействие различных эксплуатационных функций на покрытие (разнородные данные структуры эксплуатационной функции) и другие эксплуатационные особенности.
Целью работы является исследование повышения качества деталей машин на основе создания специфических свойств каждой поверхности детали и структуры свойств детали в целом под влиянием множества неравномерных эксплуатационных функций за счёт применения функционально-ориентированных покрытий (ФОП) и обеспечения их характеристик [5, 6].
Для достижения цели в работе решаются следующие задачи: анализируются особенности повреждений функциональных компонентов узла в процессе эксплуатации; разрабатывается общий подход и принципы реализации ФОП; разрабатывается классификация ФОП; предлагается технологическое обеспечение и исследуются специфические особенности реализации функционально-ориентированных характеристик детали.
Общий подход и принципы реализации функционально-ориентированных покрытий деталей машин
На деталь в процессе эксплуатации воздействует множество эксплуатационных функций. Каждая поверхность подвергается воздействию неравномерных нагрузок, и каждая зона влияния конкретной нагрузки имеет определенные топологические параметры, при этом рабочие функции обладают определенной структурой. Для обеспечения функционально-ориентированных характеристик детали в данных условиях необходимо определить соответствие между эксплуатационными функциями F, технологическим воздействием TI и характеристиками изделия C (Рисунок 1).
Рисунок 1. Модель взаимосвязей объектов системы: эксплуатационные функции (F), технологическое воздействие (TI) и характеристики узла (C).
Существуют определенные связи [5] между эксплуатационными функциями F, технологическим воздействием TI и характеристиками изделия C, а именно: подобие, тождество соответствия, аналогия, эквивалентность и адекватность.
На Рисунке 1 показана модель взаимосвязи объектов системы: эксплуатационных функций F, технологического воздействия TI и характеристик узла C.
Технологическая схема реализации ФОП строится на основе этой взаимосвязи [5]. Следует отметить, что структура взаимосвязей между компонентами модели имеет замкнутый вид, что позволяет определять параметры технологического воздействия и характеристики узла в зависимости от параметров воздействия эксплуатационной функции на функциональные компоненты узла. Все параметры определяются на основе группы специальных принципов ориентации элемента и технологического воздействия [5]:
1. Функциональное соответствие характеристик действия элементарной функции на каждом функциональном компоненте узла параметрам реализации технологического воздействия и характеристикам обеспечения необходимых свойств в функциональном компоненте.
2. Топологическое соответствие геометрических параметров функционального компонента узла, в котором действует элементарная функция в процессе эксплуатации, геометрическим параметрам зоны технологического воздействия на узел и геометрическим параметрам зоны свойства.
3. Количественное соответствие множества эксплуатационных компонентов, в которых действует множество различных элементарных функций в процессе эксплуатации, множеству реализации различных технологических воздействий и множеству компонентов, обеспечивающих необходимые свойства в функциональных компонентах узла.
4. Адекватная зависимость пространственных характеристик действия элементарной функции в процессе эксплуатации, технологического воздействия и эксплуатационных характеристик в пространстве каждого функционального компонента узла.
5. Адекватная зависимость временных характеристик действия элементарной функции в процессе эксплуатации, временных и пространственных характеристик реализации технологического воздействия и временных эксплуатационных характеристик в каждом функциональном компоненте узла на каждом уровне глубины технологии.
6. Структурное соответствие множества элементарных функций, реализации множества технологических воздействий и множества характеристик в функциональных компонентах из условия обеспечения заданных, требуемых и предельных свойств всего узла.
7. Адекватное структурно-функциональное соответствие каждого функционального компонента заданному, требуемому или максимальному потенциалу общих характеристик всего узла в пространстве и времени.
8. Адекватное структурно-функциональное соответствие характеристик в окрестности каждого функционального компонента заданному, требуемому или максимальному потенциалу общих характеристик всего узла в пространстве и времени.
Следует отметить, что процесс реализации данных принципов технологического воздействия и характеристик узла может быть осуществлен на основе итерационного подхода [5]. Итерационный подход позволяет выполнить синтез ФОП через реализацию приведенных принципов с учетом последовательных процессов и многократно повторяющихся рекуррентных процессов, осуществляемых за счет обратных связей.
ФОП могут обладать следующими характеристиками (Рисунок 2):
Рисунок 2. Гипотетические варианты однослойных функционально-ориентированных покрытий (ФОП).
1. Изменяющиеся характеристики (равномерно и неравномерно изменяющиеся, функционально изменяющиеся, градиентные и другие) (Рисунок 2, а) в пределах каждой поверхности изделия и/или поверхности структуры узла.
2. Ступенчатые характеристики (в одном направлении, в двух направлениях, широкими, средними, малыми ступенями и другие) (Рисунок 2, b) в пределах каждой поверхности изделия и/или поверхности структуры узла.
3. Зональные характеристики (зоны традиционных размеров, макрозональные, микрозональные, с изменяющимися характеристиками по зонам и другие) (Рисунок 2, с) в пределах каждой поверхности изделия и/или поверхности структуры узла.
4. Пятнистые характеристики (пятна большого, среднего, малого размера с различными или подобными характеристиками и другие) (Рисунок 2, d) в пределах каждой поверхности изделия и/или поверхности структуры узла.
5. Специальные характеристики в пределах каждой поверхности изделия и/или поверхности структуры узла.
Классификация функционально-ориентированных покрытий
Следует отметить, что покрытия, применяемые для изделий машиностроения, могут иметь различные физико-механические характеристики (ФМХ), параметры которых формируются в пределах, характерных для традиционных и сверхпрочных покрытий. Покрытия могут иметь переменную толщину на поверхности изделия, которая определяется в зависимости от действия эксплуатационной функции. В то же время для различных поверхностей узла могут использоваться покрытия из материалов с разными ФМХ. Кроме того, покрытия на поверхностях узла могут быть однослойными и многослойными (Рисунок 3).
Рисунок 3. Классификация ФОП для деталей машин.]
Необходимо отметить, что толщина однослойных и многослойных покрытий (отдельных слоев многослойного покрытия) в целом может быть различной и зависит от функционального назначения покрытия и метода (методов) его нанесения.
ФОП могут применяться для различных деталей машин. В этом случае они могут быть классифицированы по схеме, представленной на Рисунке 3. Здесь ФОП сгруппированы следующим образом: однослойные покрытия, многослойные покрытия и комбинированные покрытия.
Однослойные покрытия могут иметь переменные ФМХ при переменной толщине и обладают следующими характеристиками: функционально зависимые, зональные, градиентные, изменяющиеся по оси x, изменяющиеся по оси y, изменяющиеся по оси z и другие.
Для обеспечения одновременного полного износа покрытия при наличии неравномерного износа на функциональных компонентах узла в ряде случаев могут использоваться однослойные покрытия с переменной толщиной со следующими параметрами: функционально зависимая толщина, равномерно зависимая толщина, изменяющаяся по оси x, изменяющаяся по оси y, другие характеристики.
Для повышения ресурса узла могут использоваться многослойные покрытия, которые могут иметь следующие характеристики: зонально изменяющееся количество слоев, зонально структурированные ФМХ, функционально структурированные ФМХ, модульные ФМХ, ступенчатые ФМХ, одинаковые ФМХ и/или толщина во всех слоях, изменяющиеся ФМХ и/или толщина во всех слоях, а также другие характеристики.
В ряде случаев для узлов целесообразно использовать комбинированные покрытия. Они обладают следующими характеристиками: комбинированные ФМХ однослойных и многослойных покрытий, функционально-зональные ФМХ, градиентные и модульные ФМХ, функционально-ступенчатые ФМХ и другие характеристики.
Заключение
В представленной работе проведено исследование повышения качества деталей машин на основе создания специальных характеристик каждой поверхности детали и структуры характеристик детали в целом при воздействии множества неравномерных эксплуатационных функций за счет применения ФОП. Проведенное исследование позволило:
1. Проанализировать особенности разрушения функциональных компонентов узла в процессе эксплуатации. Установлено, что во многих случаях детали машин подвергаются воздействию изменяющихся эксплуатационных функций, что приводит к снижению их ресурса.
2. Разработать общий подход к нанесению ФОП на поверхности деталей машин, основанный на группе специальных принципов создания ФОП.
3. Предложить классификацию ФОП для систематизации различных вариантов покрытий и характеристик деталей.
4. Разработать специальное технологическое обеспечение для нанесения ФОП на детали машин.
5. Исследовать характеристики реализации функционально-ориентированных свойств деталей на основе ФОП. Установлено, что ФОП обеспечивают качественно новый набор характеристик деталей машин.
Следует отметить, что для нанесения ФОП может быть применено множество методов и использован комплекс различного оборудования. Выбор зависит от конструктивных особенностей конкретной детали и материала её изготовления, необходимых параметров ФОП, технологического подхода к нанесению покрытия и ряда других условий.
Литература
[1] Пуряков А.Ф. 2003 Теоретические основы технологии плазменного напыления (Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана) с 360
[2] Григорьев С.Н. 2009 Методы повышения стойкости режущего инструмента (Москва: Машиностроение) с 368
[3] Амитан Г.Л., Байсупов И.А., Барон Ю.М. 1988 Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки (Ленинград: Машиностроение) с 719
[4] Ющенко К.А., Борисов Ю.С., Кузнецов Ю.С., Корж В.Д. 2007 Инжиниринг поверхности (Киев: Наукова думка) с 558
[5] Михайлов А.Н. 2009 Основы синтеза функционально ориентированных технологий (Донецк: ДонНТУ)
[6] Михайлов Д.А., Недашковский А.П., Ивченко Т.Г. 2014 Технологические особенности восстановления лопаток компрессора ГТД с применением функционально ориентированных покрытий Прогрессивные технологии и системы машиностроения вып. 47 (Донецк: ДонНТУ) с 213-224