248 / 397
Механики XXI веку. №16 2017 г.
248
Цель настоящих исследований – установление характера влияния режимов плазмен-
ного напыления на уровень остаточных напряжений в покрытиях.
Методика экспериментального исследования.
При измерении величины остаточ-
ных напряжений в покрытиях используют разрушающие и неразрушающие методы контроля
[5]. Одним из существенных недостатков первой группы методов является то, что при раз-
рушении слоя покрытия возникают дополнительные напряжения. Поэтому при оценке на-
пряженно-деформированного состояния слоя было отдано предпочтение экспериментально-
расчетному методу (методу "наращивания"). Метод позволяет достаточно точно определять
внутренние напряжения первого рода. При его реализации [4] на плоский образец (длинную,
узкую и тонкую пластину толщиной
h
2
) наносится слой покрытия заданной толщины
h
1
, в
результате чего он деформируется (рис. 1).
Рис. 1. Схема определения величины остаточных напряжений по прогибу
пластины с напыленным слоем:
1
– пластина,
2
– напыленный слой
После измерения радиуса кривизны пластины производили расчет уровня остаточных
напряжений
σ
ОН
(МПа) по формуле (1), которая учитывает толщину образца и покрытия, а
также характеристики упругости их материалов:
6
2
2 2 11
2 1 221
2 2 12
2
2
3
2 1
3
1 1
2 1 1
2
3
2 1
3
1
ОН
10
1
1
2
12
6
Eh Eh
h hhEE
Eh Eh
Eh EhE
h hh
Eh Eh
,
(1)
где
h
1
и
h
2
– толщины покрытия и основы, м, в данном случае приняты соответственно
6·10
-4
м и 1,5·10
-3
м;
Е
1
и
Е
2
– модули продольной упругости покрытия и основы, ГПа, были
выбраны по [5] соответственно 10·10
9
Па и 200·10
9
Па; μ – коэффициент пуансона по данным
[5] составил 0,26;
ρ
– средний радиус кривизны, мм, составляет среднее арифметическое зна-
чение радиусов
R
1
и
R
2
.
При проведении экспериментов использовалась плазменная установка "Киев-7" с
плазмотроном ПУН-8 мощностью 40 кВт. В качестве образцов использовались пластины из
стали 20 длиной 130 мм, шириной 10 мм и толщиной 1,5 мм. Материал покрытия – порошок
из высокохромистого легированного чугуна марки ПГ-С27 [6]. Глубина слоя покрытия при
напылении выдерживалась в пределах 630…650 мкм. При этом контроль глубины слоя осу-
ществляли цифровым контактным толщиномером индукционного типа модели Константа
МК3. Перед нанесением покрытий образцы подвергали струйно-абразивной очистке [7]. Из-
мерение температуры нагрева поверхности образцов производили при помощи бесконтакт-
ного инфракрасного пирометра модели
Optris MiniSight
.
При поиске модели процесса при прочих равных условиях в качестве управляемых
режимных параметров были приняты сила тока дуги плазмотрона
I
(диапазон варьирования
значений – 116…160 А), расход плазмообразующего газа (воздуха)
G
(13…27 л/мин) и дис-
танция напыления
L
(80…160 мм).
За основу построения модели был принят ортогональный центрально-
композиционный план второго порядка [8]. В каждой точке плана производилось пять опы-
тов, а результаты определялись по среднему арифметическому значению.