Разработка метода установления эксплуатационно-технологических характеристик функциональных покрытий по результатам воздействия на них высокоскоростной гидроструи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Проваторов Александр Сергеевич

• Проваторов Александр Сергеевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Проваторов Александр Сергеевич

Введение

Глава 1. Место и роль функциональных покрытий в повышении эффективности эксплуатации деталей и узлов машиностроения

1.1. Анализ потенциальных возможностей применения функциональных покрытий при производстве изделий машиностроения

1.2. Направления повышения эффективности технологических процессов нанесения функциональных покрытий

1.3. Физико-механические свойства и эксплуатационные характеристики

технологических покрытий

1.4. Анализ технологий осаждения функциональных покрытий

1.4.1. Методы физического осаждения функциональных покрытий

1.4.2. Методы химического осаждения функциональных покрытий

Методы установления эксплуатационно-технологических характеристик

покрытий

1.6. Анализ применяемости различных методов диагностики

функциональных покрытий

Анализ технологических возможностей ультраструйных технологий для

оценки качества функциональных покрытий

1.8. Выводы по главе

Глава 2. Обеспечение экспериментальных и теоретических

исследований и применяемое технологическое оборудование

2.1. Применение метода экспертного оценивания для проведения

сравнительного анализа методов диагностики функциональных покрытий

2.1.1.Статистическая обработка результатов анкетирования

2.2. Методический план проведения экспериментальных исследований

2,3 . Технологическое обеспечение процесса нанесения функциональных

покрытий

2.4. Технологическое обеспечение процесса усталостных испытаний при

симметричном цикле нагружения

2,5, Программный комплекс для численного моделирования процессов

испытаний и диагностики образцов с функциональными покрытиями

Технологическое обеспечение методики ультраструйной диагностики

функциональных покрытий

2.7. Технологическое обеспечение метода скрайбирования для оценки

качества функциональных покрытий

Технологическое обеспечение процесса исследования информативных параметров ультраструйной диагностики функциональных покрытий методом

контактной профилометрии

2,9. Технологическое обеспечение метода трибологических испытаний

функциональных покрытий

2.10. Технологическое обеспечение процесса исследования информативных параметров ультраструйной диагностики функциональных покрытий методом

сканирующей электронной микроскопии

Выводы по главе

Глава 3. Теоретическое обоснование возможности использования метода ультраструйной диагностики для оценки качества функциональных

покрытий

3.1. Результаты применения метода экспертных оценок по выбору методов

диагностики функциональных покрытий

3.2. Анализ феноменологической модели процесса ультраструйной диагностики качества функциональных покрытий

3.3. Математическое моделирование процесса усталостных испытаний образцов с функциональными покрытиями методом конечных элементов

3.4. Математическое моделирование процесса ультраструйной диагностики функциональных покрытий методом конечных элементов

3.5. Математическое моделирование процесса скрайбирования поверхности функционального покрытия с помощью адгезиметра

3.6. Расчёт числа циклов нагружения до момента образования критических

трещин в покрытии на основе нитрида титана

Выводы по главе

Глава 4. Экспериментальные исследования по установлению эксплуатационно -технологических характеристик функциональных покрытий методом УСД .. 137 4.1. Анализ морфологических данных гидрокаверн, полученных в результате ультраструйной диагностики образцов с функциональными покрытиями

Сравнительный анализ информативных признаков методов УСД и адгезиометрии образцов с функциональными покрытиями с применением

электронного микроскопа

Сравнительный анализ информативных признаков методов УСД и

трибологических испытаний образцов с функциональными покрытиями

Анализ возможностей ультраструйной диагностики для оценки

фрикционной усталости функциональных покрытий

4,5. Оценка стойкости к эрозионному износу дистанционной втулки с ФП

центробежного насоса для перекачки воды методом УСД

4.6. Инженерная методика ультраструйной диагностики ФП

Выводы по главе

Общие выводы и заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода установления эксплуатационно-технологических характеристик функциональных покрытий по результатам воздействия на них высокоскоростной гидроструи»

Введение

Актуальность темы исследования. В современном машиностроении технический прогресс во многом определяется совершенствованием традиционных и созданием новых технологий и средств исследований характеристик различных материалов и конструкций, а также их диагностики и контроля. Особое место занимают вопросы получения информации о параметрах протекающих технологических процессов, влияющих на конечные показатели качества материалов и изделий на различных этапах их жизненного цикла.

Например, для этапа технологической подготовки производства важно получение достаточно оперативной информации о функционально-эксплуатационных параметрах изделия в процессе отработки технологии его изготовления, что требует предъявления высоких требований к быстродействию систем контроля и диагностики, а также их точности.

Известно, что одним из эффективных и технологичных методов улучшения эксплуатационных показателей изделий является нанесение на их рабочие и контактные поверхности функциональных (упрочняющих, антикоррозийных, теплозащитных, антидиффузионных и др.) покрытий (ФП), обладающих рядом различных, в зависимости от их целевого назначения, свойств, таких как высокая твердость, высокая ударная вязкость, низкий коэффициент трения, высокая теплостойкость и т.д. Данные эксплуатационно-технологические характеристики ФП определяются, малыми размерами кристаллов и высокой объёмной долей границ зёрен, формирующих их макро и микроструктуру.

При этом, технологические характеристики процесса формирования морфологии поверхности покрытия зачастую во многом определяют его конечные механические, химические, оптические, трибологические и иные свойства,

поскольку именно поверхность или тонкий приповерхностный слой воспринимают основные внешние воздействия и испытывают механические, тепловые и др. нагрузки различной интенсивности.

Эксплуатация различных изделий машиностроительной отрасли, например, таких как, гидронасосы, газодинамические опоры гироскопов, шестеренчатые передачи, подшипники, режущий инструмент и т.д. в условиях интенсивных нестационарных нагрузок (моменты пуска и останова) приводит к ускоренному износу входящих в их состав деталей и узлов, таких как пары трения, переходные втулки, режущие пластинки и т.д. и последующему частичному либо полному отказу изделия, что обуславливает возникновение незапланированных технико-экономических издержек.

При этом, зачастую, невозможность использования в составе таких изделий исходных материалов с более высокими эксплуатационно-технологическими характеристиками определяется особенностями его конструкции, а также экономической целесообразностью при условии массового производства. Совокупность данных факторов определяет необходимость повышения эксплуатационно-технологических характеристик подобных деталей и узлов путём применения технологии нанесения ФП на поверхности, подверженные тому или иному виду нагружения и соответствующему износу.

Для решения данной задачи хорошо подходят методы ионно-плазменного напыления покрытий различного состава и назначения, основанные на применении высокоэнергетических плазменных потоков для осаждения материала мишени покрытия на поверхность защищаемого изделия, тем самым модифицируя его структурно-фазовую составляющую, при этом практически не влияя на его исходные физико-механические характеристики. Применение технологии вакуумного осаждения покрытий позволяет получать достаточно тонкие наноструктурные плёнки покрытий (от 0,1 до 10 мкм), обладающие высочайшими эксплуатационными характеристиками, такими как низкая дефектность, низкий

коэффициент трения, высокая стойкость к фреттинг коррозии и т.д., тем самым обеспечивая высокую степень защиты деталей и узлов изделий от различных видов износа в т.ч. фрикционного, кавитационного, абразивного и т.д.

Необходимо подчеркнуть, что производство изделий с ФП требует постоянного совершенствования и создания новых высокоэффективных диагностических технологий и средств, которые достаточно оперативно могли бы оценивать их эксплуатационные характеристики, что необходимо на этапе конструкторско-технологической подготовки производства для отработки режимов нанесения покрытий, характеризующейся значительным числом варьируемых технологических параметров процесса, изменение которых влияет на конечный результат на качественном уровне. Определение и исследование эксплуатационных и др. характеристик покрытий, обуславливаемых, в том числе, качеством технологического процесса их нанесения, представляет собой первоочередную задачу при разработке и модификации изделий машиностроения с ФП, а также оценке их надёжности и остаточного ресурса. Исходя из вышесказанного следует, что оперативное установление и исследование эксплуатационно-технологических характеристик ФП является актуальной научно-инженерной задачей, стимулирующей процессы разработки новых и совершенствование имеющихся технологий их получения, а также конструкций деталей и узлов их использующих.

Одним из научных коллективов кафедры технологий ракетно-космического машиностроения МГТУ им. Н.Э. Баумана в последние годы проведена серия исследований [1-5], показывающих возможность применения методики ультраструйной технологической диагностики (УСД) с целью определения информативных параметров качества конструкционных материалов и технических изделий. В своей работе [2] автор отмечает, что под термином «ультраструйная технологическая диагностика» понимается технологический процесс получения информации о техническом состоянии и параметрах объекта исследования на

основании анализа характеристик гидроэрозионного разрушения его поверхностного слоя ультраструей жидкости [2]. Также автор [2] обращает внимание, что технологическим обеспечением процедуры УСД является типовое стандартизированное оборудование для гидроабразивной обработки материалов, развивающее рабочее давление от 100 до 400 МПа, при этом скорость ультраструи жидкости может достигать диапазона от 300 до 1000 м/с, а плотность потока мощности ультраструи составляет значение порядка 0,5 МВт/мм2.

Вместе с тем, исследований, посвящённых применению метода УСД для определения эксплуатационно-технологических характеристик ФП изделий машиностроения, проведено не было.

Таким образом, сложившееся научное противоречие, между необходимостью установления и исследования эксплуатационно-технологических характеристик ФП, требующих создания соответствующих средств диагностики, и имеющимся, но не реализованным потенциалом УСД для установления этих характеристик требует разрешения.

В то же время, основываясь на результатах проведения исследований методом экспертного оценивания, было установлено, что метод УСД является перспективным для решения поставленных задач по установлению эксплуатационно-технологических характеристик и оценке качества ФП и обладает научно-прикладным потенциалом.

Таким образом, целью диссертационной работы является разработка научно-прикладных подходов технологии установления эксплуатационно-технологических характеристик ФП на основе анализа результатов воздействия на них высокоскоростной гидроструи, с целью контроля качества и повышения надежности работы деталей с покрытиями

Для достижения данной цели требовалось решить следующие задачи: 1. На основе анализа информационных источников провести анализ различных видов технологического воздействия, средств и методов установления

эксплуатационно-технологических характеристик ФП, применяемых с целью получения информации об их показателях качества, решаемых задачах и имеющихся недостатках, обосновать актуальность и сформировать методическую базу проведения исследований.

2. Сформировать феноменологические представления об особенностях механизма гидроэрозионного разрушения ФП под действием сверхскоростной струи жидкости, осуществить численное моделирование данного процесса с целью определения информативных признаков УСД.

3. Осуществить экспериментальную оценку эффективности применения метода УСД по установлению эксплуатационно-технологических характеристик и определению показателей качества ФП, обеспечивающих эффективность эксплуатации и надежность работы деталей с покрытиями.

4. На основе теоретических исследований, результатов численного моделирования и данных экспериментов выполнить сравнительно-сопоставительный анализ показателей качества различных ФП по критерию обеспечения качества и повышения надёжности их работы.

5. На основе анализа теоретических и экспериментальных исследований разработать рекомендации по практическому применению результатов работы и инженерную методику установления эксплуатационно-технологических характеристик ФП с использованием метода УСД.

Методы исследования: В работе использовались фундаментальные положения технологии машиностроения, теории гидроэрозионного и усталостного разрушения, физики твёрдого тела, метод конечных элементов и экспертного оценивания, аппарат теории вероятностей и математической статистики. Подготовка к проведению экспериментальных исследований осуществлялась с использованием теории планирования эксперимента. Экспериментальные исследования проводились на сертифицированном оборудовании по специально разработанным методикам c использованием широкого спектра технических

средств и оборудования, таких как вакуумная ионно-плазменная установка для нанесения покрытий, установка для гидроабразивного резания, оптический, электронный и конфокальный микроскопы, экспериментальный стенд для проведения усталостных испытаний, экспериментальный стенд для проведения трибологических испытаний, адгезиметр и компьютеризированный профилограф-профилометр. Математическое моделирование и обработка полученных данных проводилась с помощью программ Microsoft Ехсе1, Ansys Mechanical и Ansys Autodyn.

Научная новизна работы состоит в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении положения о взаимосвязи эксплуатационно -технологических характеристик ФП с информативными параметрами результатов воздействия на них высокоскоростной струи жидкости. Признаками научной новизны обладают следующие положения:

1. Разработана конечно-элементная модель процесса взаимодействия высокоскоростной гидроструи с образцами, имеющими ФП различной степени поврежденности, в условиях варьируемых входных параметров технологического воздействия.

2. Доказано физико-технологическое подобие изменения поврежденности ФП механизму нестационарного воздействия высокоскоростной гидроструи и соответствия экспериментальных данных и теоретических расчётов, установивших начало развития магистральных трещин в ФП по достижении 60 тысяч циклов усталостных испытаний.

3. Выявлены высокие значения корреляции (Rs= 0,85-0,98) информативных параметров фрикционных и гидроструйных испытаний ФП, доказывающих возможность использования высокоскоростной гидроструи в качестве инструмента их ускоренных испытаний.

4. Доказана возможность применения метода УСД для изделий с ФП на этапе технологической подготовки производства на основе результатов оценки

интенсивности гидроэрозии поверхности деталей с покрытиями различной степени поврежденности, сформированной в результате усталостных испытаний.

Практическая значимость работы: разработана и апробирована в лабораторных условиях инженерная методика установления эксплуатационно-технологических характеристик изделий с ФП гидроструйным методом. Предложены рекомендации по применению методики УСД для изделий с ФП, работающих в условиях гидроэрозионного и кавитационного изнашивания и действия знакопеременных нагрузок. Разработанные модели взаимодействия высокоскоростной струи воды с образцом, имеющим ФП с различной степенью повреждённости, позволяют провести подробный детальный экспресс анализ факторов, влияющих на характер его гидроэрозионного разрушения.

Достоверность и корректность результатов работы подтверждается использованием апробированных и научно-обоснованных методик обработки и анализа данных, результатами опытной валидации и верификации полученных теоретических результатов.

На защиту выносятся:

1. Обоснование применения высокоскоростной струи жидкости как средства оценки эксплуатационно-технологических характеристик ФП и получения информации об их параметрах качества методом экспертных оценок.

2. Конечно-элементная модель процесса взаимодействия высокоскоростной гидроструи с образцом, имеющим ФП, в условиях варьируемых входных технологических параметров воздействия и степени поврежденности покрытия.

3. Инженерная методика и технологические рекомендации по реализации метода УСД изделий с ФП для установления их эксплуатационно-технологических характеристик.

4. Результаты сравнительно-сопоставительных экспериментов по установлению эксплуатационно-технологических характеристик образцов с ФП, методами УСД и фрикционных испытаний.

Апробация работы: основные результаты работы изложены на всероссийских и международных конференциях:

Всероссийской конференции «Будущее машиностроения России» (Москва, 2014, 2016, 2017, 2018 гг.), Академических чтениях по космонавтике «Королёвские чтения» (2015, 2017, 2018 гг.), международной конференции «Научные принципы и подходы, методы и технологии, системный анализ и статистическая обработка данных о создании, диагностике, модернизации композиционных материалов и покрытий с нанодобавками, работающих в условиях динамического и высокоэнергетического нагружения» (2017 г.), всероссийской конференции «Студенческая весна» (2015-2018 гг.)

Личный вклад соискателя состоит в анализе и систематизации данных, известных из литературных источников и полученных в результате выполнения экспериментов и теоретических исследований, проведении численного моделирования и верификации и валидации его результатов, установления эксплуатационно-технологических характеристик изделий с ФП методом УСД, создании и апробации инженерной экспресс-методики УСД изделий с ФП. Им лично подготовлены и сделаны доклады на конференциях и семинарах.

Публикации по теме диссертации: материалы диссертации отражены в 11 научных работах, 2 из которых находятся в списке изданий, рекомендуемых ВАК РФ, 1 в базе Scopus и 1 патенте.

Структура и объём диссертации: диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов и результатов работы, списка сокращений и обозначений, списка использованной литературы. Она изложена на 185 листах машинного текста, содержит 57 рисунков и 17 таблиц. Список литературы содержит 130 наименований.

Глава 1. Место и роль функциональных покрытий в повышении эффективности эксплуатации деталей и узлов машиностроения

В первой главе изложены результаты аналитического обзора литературных источников по теме диссертации. В частности, рассматриваются вопросы применения ФП в современном машиностроении. Проводится обзор и анализ различных методов нанесения ФП, базовых физических принципов и конструкторско-технологических схем, оборудования и оснастки для реализации технологий их нанесения. Рассмотрены группы покрытий, получаемых методами физического и химического нанесения, проведён анализ их эксплуатационно-технологических характеристик, влияющих на конечное функциональное назначение того или иного типа покрытия.

Определены наиболее перспективные и распространённые технологии для получения ФП широкого назначения и отмечены их преимущества и недостатки.

Также в первой главе проведен обзор и подробный анализ работ по методам контроля качества и диагностики ФП, используемых в настоящее время как в России, так и в иностранной инженерной практике, выявлены особенности и недостатки этих методов.

Сделан вывод, что разработка новых средств и подходов к установлению эксплуатационно-технологических характеристик и оценке качества ФП имеет важное значение для своевременного технологического развития современного машиностроения, в особенности учитывая рост объемов их применения в отрасли. Также, рассматриваются возможности УСД, как наиболее функционального метода для установления эксплуатационно-технологических характеристик ФП, работающих в условиях циклических динамических нагрузок.

1,1. Анализ потенциальных возможностей применения функциональных покрытий при производстве изделий машиностроения

Одним из эффективных путей развития машиностроительной отрасли является облегчение и миниатюризация входящих в их состав деталей узлов при сохранении требуемых эксплуатационных и технологических показателей назначения.

Данная тенденция накладывает специфические ограничения на массогабаритные характеристики механических частей устройств, что ограничивает перечень используемых конструкционных и функциональных материалов в их конструкции, обеспечивающих требуемые физико-механические характеристики. Данный подход находит свое применение при производстве гироскопов летательных аппаратов, компонентов спутников, приводных узлов и передач насосных и силовых установок и т.д.

Подвижные механические узлы таких систем должны обладать наименьшими фрикционными потерями и стойкостью к различным видам износа для обеспечения максимально возможного коэффициента полезного действия (КПД) и срока безотказной эксплуатации изделия.

Определение эксплуатационных характеристик в контактных узлах таких систем является самостоятельной задачей для проведения подробных теоретических и экспериментальных исследований [6-13]. Зачастую конструктивные особенности контактных узлов не позволяют использовать классические [19] конструкторско-технологические методы по обеспечению износостойкости и уменьшению контактных фрикционных нагрузок, такие как жидкие и вязкие смазки, самосмазывающиеся покрытия и т.д., что обуславливает использование в их конструкции тонких ФП различного типа. Подобные покрытия позволяют добиться существенного улучшения эксплуатационно-технологических характеристик изделия и тем самым значительного увеличения его срока

эксплуатации, а также повышения вероятности безотказного функционирования на этапе эксплуатации изделия. Спектр областей применения таких покрытий довольно широк начиная от тяжелого машиностроения, нано- и микроэлектроники, биомедицины (эндопротезирование), энергомашиностроения, производства режущего инструмента и т.д. [15-45]. Также подобные покрытия активно применяются для повышения стойкости режущей кромки различного режущего инструмента, такого как токарные резцы, фрезы, свёрла и т.д. [22, 30, 33, 34, 35], что напрямую влияет на технико-экономическую эффективность процесса производства того или иного изделия.

Наиболее эффективными для подобного применения являются тонкие градиентные функциональные покрытия с твёрдостью, превышающей значения ИУ 10 ГПа.

Такие покрытия позволяют обеспечить высокие эксплуатационно-технологические характеристики при минимальных толщинах составляющих от десятков нанометров до сотен и единиц микрон. Покрытия данного класса включают в себя нитриды, бориды, оксиды, аллотропные модификации углерода (алмазоподобные структуры) и т.д. Функциональные характеристики таких покрытий представляют собой вариативные параметры, зависящие от типа защищаемого материала, условий работы, толщины плёнки покрытия и т.д.

Самостоятельный интерес представляют функциональные покрытия на основе аллотропных модификаций углерода (по соотношению Sp2, Sp3 гибридизаций). На сегодняшний день известно семь различных форм таких покрытий по степени гибридизации. Следует отметить, что для всех его форм характерны высочайшие механические и трибологические свойства достижимые при минимальных толщинах плёнок (до 1 мкм), что обуславливает их широкое применение при производстве изделий машиностроения.

Также данные покрытия обладают свойством биосовместимости, что находит им широкое применение при производстве эндопротезов, для увеличения

срока службы прецизионных узлов трения, например, протезов различных суставов [24, 25, 31, 32].

Структурно, применяемые при производстве тонкие функциональные покрытия можно классифицировать на несколько групп:

- Однослойные одно- и многокомпонентные покрытия;

- Многослойные покрытия;

- Градиентные покрытия;

На сегодняшний день, три данные группы находят наиболее широкое применение при решении задач повышения эксплуатационно-технологических характеристик изделий машиностроения [11-45].

Однослойные покрытия представляются собой тонкие гомогенные пленки с ярко выраженной изотропностью свойств по толщине слоя. Данные покрытия обладают сверхвысокой твёрдостью, а, следовательно, и высокой износостойкостью, и низким коэффициентом сухого трения.

Многослойные покрытия представляют собой сложную систему чередующихся слоев различных по химическому/фазовому составу. Многослойная структура позволяет добиться максимальной степени адгезии материала покрытия к подложке за счёт снижения характерных уровней остаточных напряжений между материалом подложки и основным функциональным слоем.

Также, знакопеременность образовывающихся растягивающих и сжимающих напряжений, распределенных по многослойной структуре за счёт формирования чёткой границы раздела между слоями, позволяет более эффективно останавливать распространение критических трещин [46], тормозить движение линейных дефектов кристаллической решётки твёрдого тела (дислокаций) возникающих под действием различных эксплуатационных нагрузок. При этом, многослойная структура позволяет добиваться повышенных вязкостных характеристик системы подложка/покрытия при заданной твёрдости покрытия.

Чередование слоёв с различным модулем упругости позволяет обеспечить высокое сопротивление пластическим деформациям и превышению предела текучести материала при сравнительно небольших толщинах слоёв (от 10 до 70 нм). Последовательное чередование высокомодульного и низкомодульного материала обеспечивает высокое сопротивление текучести [46]. Градиентные покрытия обладают градиентом концентрации одного из компонентов по толщине слоя и на его границах. Такая особенность позволяет обеспечить повышенные адгезионные характеристики покрытия к поверхности защищаемого изделия при требуемых функциональных характеристиках слоя.

Данный подход позволяет производить своеобразное легирование существующих систем для повышения их эксплуатационных характеристик.

Направления повышения эффективности технологических процессов нанесения функциональных покрытий

Тонкие защитные покрытия нашли широкое применение в парах трения, в деталях, применяемых в качестве режущих инструментов для обработки различных материалов [46-51]. Технологический процесс нанесения покрытий состоит из ряда этапов, включающих в себя многоступенчатую механическую и/или химическую подготовку поверхности детали (подложки) под нанесение покрытия, нанесение покрытия, и, при необходимости, финишную обработку поверхности изделия с покрытием, например, магнитно-абразивной обработкой (МАО), полированием и др.

В работе [48] Дианов А.А. отмечает, что подготовка поверхности путем шлифования или магнитно-абразивной обработки приводит к появлению дефектного слоя с выраженной волнистостью поверхности (отношение длины к высоте более 50 (Ь/Н>50)). В процессе эксплуатации волнистость увеличивает контактные напряжения, в парах трения уменьшая долговечность работы. Для

уменьшения волнистости основания на практике наносят дополнительные слои покрытия, перерасходуя его. Автор [48] отмечает, что недостатком применения метода подготовки поверхности шлифованием является вероятное появление прижогов, появляющихся при превышении критических температур и сохраняющихся некоторое время. Эти факторы приводят к изменениям структуры материала, однако могут быть минимизированы с помощью применения смазывающе-охлаждающих технических средств и применением прерывистых шлифовальных кругов (ПШК). Однако метод ПШК также имеет недостатки, связанные с наличием ударных нагрузок на круг и обрабатываемую поверхность. [48].

Практически важным результатом работ автора [48] является установленная связь между основой и наносимым слоем покрытия. Так автором [48] было выяснено, что нанесение покрытия толщиной менее 50 мкм приводит к копированию сравнительно развитой поверхности подложки, обладающей собственной волнистостью и шероховатостью, что приводит к существенному снижению долговечности изделия. Но также автором [48] отмечается, что увеличение толщины слоя покрытия более 50 мкм устраняет волнистость исходной поверхности, но при этом наблюдается повышенный расход материала мишени-покрытия. Автор [48], основываясь на результатах проведенных исследований отмечает, что метод магнитно-абразивной обработки (МАО) поверхности подложки с использованием абразивных зёрен, покрытых поверхностно-активными веществами, позволяет добиться значительного снижения её волнистости.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Проваторов Александр Сергеевич, 2025 год

Анализ литературных источников

С

Оценка достоверности результатов анкетирования

Анализ мнений экспертов

Отечественные Иностранные

Проведение анкетирования

Основные методы нанесения ФП:

Метод физического

осаждения (РУР) Метод химического осаждения (СУР)

Основные методы контроля и диагностики:

Оптическая микроскопия Определение

твёрдости Трибометрия Скрайбирование

Дополняющие методы контроля и диагностики:

Электронная микроскопия Рентгеновская дифрактометрия

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

Выявление противоречий, обоснование актуальности, формулирование научной проблемы и постановка цели и задач исследования

Обзор возможных вариантов решения задач, разработка плана проведения теоретических и экспериментальных исследований

Планирование эксперимента

=1=

Подготовка образцов

Математич еское моделирование

Расчёт числа циклов нагружения до образования критической трещины в покрытии

Моделирование механизма усталостного нагружения

Нанесение покрытий

Усталостные испытания

Исследования механизма гидроэрозионного разрушения покрытия

Моделирование

процесса ультраструйной диагностики деталей с ФП

1 |

Ультраструйная диагностика Обработка результатов анализа Моделирование процесса скрайбирования деталей с ФП

Фрикционные испытания Морфология поверхности покрытия

1 1 1

Скрайбирование

Профилометрия

Лазерная Измерение

конфокальная параметров

микроскопия гидроэрозии

1 1

Ионно-электронная Оптическая

микроскопия микроскопия

Верификация результатов моделирования

Уточнения математических моделей

I

Разработка инженерной методики установления эксплуатационно-технологических характеристик функциональных покрытий по результатам воздействия на них высокоскоростной гидроструи

Рис. 1.8. Методический план проведения исследований с целью разработки инженерной методики установления эксплуатационно-технологических характеристик ФП методом УСД

1.8. Выводы по главе 1

В первой главе изложены результаты аналитического обзора информационных источников по теме диссертации.

В частности, рассматриваются вопросы применения ФП в современном машиностроении, а также установления и исследования их эксплуатационно-технологических характеристик.

Отмечается, что в настоящее время высока роль и значимость применения покрытий для эффективного повышения эксплуатационных характеристик широкой номенклатуры изделий машиностроения, что в свою очередь позволяет продлить их срок службы и существенно повысить вероятность безотказного функционирования.

Также в первой главе приводится подробный обзор технологий нанесения ФП, базовых физических принципов процессов нанесения и конструкторско-технологических схем промышленных установок с целью определения наиболее распространённых и технологичных методов.

Установлено, что процесс нанесения покрытий характеризуется значительным числом варьируемых технологических параметров, что обуславливает применение современных методов и технологий диагностики и контроля, которые достаточно оперативно могли бы оценивать их влияние на эксплуатационно-технологические характеристики.

Проведён подробный анализ методов установления и исследования эксплуатационно-технологических характеристик, применённых в диссертационных работах по теме исследования и выявлено отсутствие среди них новых оперативных и информативных методов и технологий.

Сделан вывод, что установление и исследование эксплуатационных и др. свойств покрытий, обуславливаемых, в том числе, качеством технологического

процесса их нанесения, представляет собой первоочередную задачу при разработке и модификации изделий машиностроения с ФП, а также оценке их надёжности и остаточного ресурса.

В заключительной части главы сформулированы цель и задачи исследования, а также разработан общий методический план проведения исследований, ключевыми этапами которого являются теоретические и экспериментальные исследования, моделирование процесса оценки качества покрытий с учетом его поврежденности, разработка, валидация и верификация инженерной методики установления эксплуатационно-технологических параметров ФП, а также её промышленная апробация.

Глава 2. Обеспечение экспериментальных и теоретических исследований и применяемое технологическое оборудование

Во второй главе описываются особенности методического обеспечения проводимых экспериментальных и теоретических исследований наряду с вопросами постановки решаемых задач и определением граничных условий для проведения математического моделирования методом конечных элементов процесса УСД ФП.

Также в данной главе рассматривается технологическое и аналитическое обеспечение экспериментальных исследований. Описана методология решения поставленных задач исследования, в том числе, с использованием одного из методов теории вероятностей [101].

2.1, Применение метода экспертного оценивания для проведения сравнительного анализа методов диагностики функциональных покрытий

Для решения задачи оценки применяемости и эффективности метода УСД с целью определения эксплуатационно-технологических характеристик ФП в работе был использован метод экспертных оценок (МЭО).

Использование данного метода теории принятия решений обусловлено существованием широкого спектра методов диагностики, применяемых для оценки эксплуатационно-технологических характеристик ФП.

Таким образом, на ранней стадии исследований было необходимым решить задачу выбора и практического обоснования наиболее эффективных методов исследования ФП для проведения их дальнейшего анализа с целью поиска их преимуществ и существенных недостатков.

Исходя из анализа литературных источников [101-104] МЭО позволяет получить взвешенные экспертные оценки в качественном, а также количественном отображении с высокой достоверностью, основываясь на совокупности статистических, математических и аналитических операций.

Основой МЭО является процесс формирования решения не четко формализованных задач, с учётом их весовых коэффициентов. Данные задачи в виде анкет с вопросами ставятся перед группой экспертов-специалистов по данной либо смежной областям исследований.

Классически методика проведения процедуры экспертного оценивания состоит из нескольких ключевых этапов:

I этап - определение состава группы экспертов, включая её численность с учётом степени квалификации каждого эксперта,

II этап - выбор критериев для оценки с учётом их весовых коэффициентов. Логичным является коллегиальное проведение данной процедуры организаторами экспертизы и выбранными экспертами,

III этап - проведение сравнительной оценки по балльной шкале (от 1 до 10) рассматриваемого предмета экспертизы по установленным критериям с использованием разработанных и утверждённых анкет,

IV этап - получение и обработка мнений экспертов по предмету экспертизы с определением групповой оценки по каждому критерию с использованием метода взвешенных сумм, в ходе которого рассчитываются вероятностные характеристики, такие как математическое ожидание и дисперсия полученных балльных оценок с учётом равнозначности экспертных мнений,

V этап - формирование экспертного решения по предмету экспертизы.

В анкету, предназначенную для проведения экспертизы наиболее применяемых методов диагностики ФП

были занесены шесть наиболее распространённых и применяемых в исследованиях и промышленности методов таких как:

- Метод наноиндентирования (НИ):

Линейное воздействие твердого индентора ортогонально поверхности материала покрытия. Критерии анализа — геометрические параметры образовавшегося отпечатка с учётом приложенной нагрузки.

- Метод адгезиометрии (АДГ):

Линейное воздействие твердого индентора в горизонтальном направлении относительно поверхности материала покрытия. Критерии анализа — геометрические параметры образовавшегося отпечатка с учётом приложенной нагрузки, нагрузка срыва индентора.

- Метод трибометрии (ТМ):

Фрикционные испытания с использованием твердого сферического индентора-контртела поверхности детали с покрытием. Критерии анализа — коэффициент трения в зависимости от нагрузки, геометрические параметры образовавшего трека, унос массы поврежденного материала, износ контртела.

- Метод оптической микроскопии (ОМ):

Визуальный контроль поверхности покрытия с требуемой невысокой (до 1600 крат) степенью увеличения. Критерии анализа — поверхностная повреждённость поверхности, наличие явных дефектов поверхности в виде трещин, несплошностей, отслоений, изменения цвета покрытия и т.д.

- Метод электронной микроскопии (ЭМ):

Визуальный контроль поверхности покрытия с требуемой сверхвысокой (до 1х106 крат) степенью увеличения. Критерии анализа — поверхностная повреждённость поверхности, наличие явных дефектов поверхности в виде трещин, несплошностей, отслоений, изменения структуры покрытия, шероховатость поверхности с высокой точностью, анализ топографии поверхности подложки.

- Метод ультраструйной диагностики:

Ультраструйное диагностическое воздействие на поверхность детали с покрытием. Критерии анализа — глубина и форма гидрокаверны, высота валика пластической деформации материала, унос массы материала детали.

В соответствии с целью исследования, для проведения экспертной оценки вышеуказанных методов, основываясь на предварительном анализе производилось их сравнение по 8 общим критериям, которые позволяют максимально подробно и информативно охарактеризовать рассматриваемые технологии диагностики:

- Техническая реализуемость (ТР): Данный критерий обеспечивает возможность проектирования и создания эффективного диагностического оборудования и технологической оснастки для проведения диагностики при невысокой себестоимости и технологичности.

- Изученность (И): Данный критерий оценивает уровень изученности и законченности отдельных составляющих, анализируемой разработки. При оценке учитываются число результатов интеллектуальной деятельности, таких как публикации, патенты и т.д.

- Информативность (ИНФ): Ключевой критерий, характеризующий степень практической значимости информации, получаемой по результатам диагностики. Данный критерий позволяет сделать заключение о состоянии объекта контроля по результатам диагностики.

- Управляемость (УПР):

Данный критерий определяет возможности гибкого управления технологическим воздействием и возможность варьирования параметрами вспомогательных процессов, сопровождающий процедуру диагностического воздействия. Также данный критерий определяет технологичность и удобство применения

рассматриваемого метода в зависимости от объекта исследования и внешних условий диагностики.

- Перспективность (ПЕР): Данный критерий определяет перспективы развития метода и возможности его широкого применения с целью решения задач диагностики в смежных с исследуемой областях техники и технологий.

- Соответствие вида диагностического воздействия реальному

(СВР):

Данный критерий характеризует степень подобия диагностического воздействия реальным нагрузкам, которые претерпевает объект контроля в ходе его эксплуатации. По данному критерию возможно косвенно оценить степень достоверности контрольно-диагностической информации.

- Производительность и качество технологии (ПКТ):

Данный критерий определяет оптимальное соотношение между оперативностью получения диагностической информации и степенью её достоверности. При минимальном времени проведения диагностического воздействия должна обеспечиваться максимальная достоверность получаемых результатов.

- Затраты на реализацию (ЗТР): Данный критерий оценивает удельные затраты, требуемые для реализации исследуемой технологии диагностики.

Вышеописанные методы, занесенные в разработанные анкеты (Рис. 2.1, а, б), анализировались группой экспертов по рассмотренным критериям.

Применение метода экспертных оценок и последующий анализ его результатов позволил произвести оценку эффективности применения рассматриваемых технологий установления эксплуатационно-технологических характеристик функциональных покрытий с высокой степенью достоверности.

(а) (б)

Рис. 2.1. Форма разработанной анкеты эксперта: а) страница 1, б) страница 2

2.1.1. Статистическая обработка результатов анкетирования

Важнейшим этапом использования МЭО, наряду с составлением информативной анкеты и объективным подбором экспертов, является статистическая обработка результатов, полученных по завершении анкетирования. В данном исследовании был использован верифицированный [103] метод взвешенных сумм. Данный метод определяет взвешенную оценку Sj анализируемых критериев, равную сумме ряда оценок si с учётом весовых коэффициентов каждого критерия:

(2.1)

Я = 1

^г

г=1

где п - общее число слагаемых итоговой оценки Sj, ^ — весовой коэффициент, определяющий значимость критерия si, si — оценка величины, характеризующего i—й анализируемый критерий.

Таким образом, результатом обработки является построенная гистограмма взвешенных значений, на основе которой возможно сделать заключение о наиболее информативном и перспективном методе диагностики ФП.

На начальном этапе статистической обработки было принято допущение о том, что все представленные в таблице 3 анкеты эксперта критерии Si с ростом их абсолютных значений вносят положительный вклад в результаты оценки, за исключением критерия «Затраты» на реализацию оцениваемого метода.

Таким образом, суммирование балльных оценок данных критериев с учётом их весовых коэффициентов производилось со знаком (+), а для критерия «Затраты» со знаком (-), т.к. высокие оценки по данному критерию имеют отрицательное влияние на заключительные результаты оценки того или иного метода диагностики.

Итоговый расчёт суммарной

j-ой оценки 1-го критерия производился по формуле:

1=1

1 -Кг8

(2.2)

где ^8; j=1, 2...6.

Также самостоятельный интерес представляет распределение среднеквадратичных отклонений оценок экспертов. Данная величина позволяет оценить согласованность мнений экспертов по j-ой оценке 1-го критерия.

Минимальное значение среднеквадратичного отклонения говорит о высокой степени согласованности мнений экспертов по анализируемым

критериями того или иного метода диагностики ФП. Характеристика согласованности мнений экспертов

оценивалась с помощью подхода по определению значений рангов экспертных оценок.

В основе данного подхода ТПР лежит метод оценки ранжирования п -объектов по m-экспертным оценкам, определяющим совокупность рангов.

Подобный метод оценки позволяет оценить согласованность m оценок экспертов относительно друг друга используя коэффициент W конкордации Кендалла.

Данный коэффициент определяется по формуле:

Ш =

12Б

12Ц=1021

(2.3)

т2(п3 — п) т2(п3 — п)'

где: п — число оцениваемых объектов; т — число привлеченных экспертов, D — величина дисперсии;

Для визуализации степени согласованности экспертных оценок традиционно [104] используется количественная шкала Харрингтона (Таблица 3).

Таблица 3.

Количественная шкала Харрингтона

№ п/п Степень Количественное значение

согласованности коэффициента конкордации

экспертных мнений

1 Очень высокая 0,8 - 1,0

2 Высокая 0,64 - 0,8

3 Средняя 0,37 - 0,64

4 Низкая 0,2 - 0,37

5 Очень низкая 0,0 - 0,2

2.2. Методический план проведения экспериментальных исследований

Экспериментальные исследования проводились с помощью комплекса технологического оборудования, включающего в себя электродуговую установку для нанесения покрытий семейства Platit, установку гидроабразивной резки Flow WaterJet, установку для испытаний индентированием, двулучевой электронный микроскоп FEI Quanta 200 3D DualBeam с возможностью ионного травления, профилограф-профилометр БВ-7669М, установку для проведения испытаний на усталость при симметричном цикле нагружения, экспериментальную машину трения.

На первом этапе экспериментальных исследований были подготовлены группы образцов по (ГОСТ 25.502-79) из стали (Рис. 2.6) в количестве 40 штук, на которые в последующем было нанесено три типа ФП c различными значениями толщин плёнок и их физико-механических характеристик, определяющих их функциональное назначение:

- нитрид титана (TiN),

- карбонитрид титана (TiCN),

- алмазоподобное покрытие (DLC).

Четвёртая группа из десяти образцов оставалась в исходном состоянии без покрытия.

На втором этапе экспериментальных исследований все полученные образцы были подвержены испытаниям на знакопеременный изгиб в усталостной машине. Усталостная машина предназначена для испытания на усталостную прочность при малоцикловом симметричном изгибе. Экспериментальное нагружение образцов состояло из двух основных этапов: закрепление образца в держателе установки, нагружение с определенным фиксированным числом циклов.

Группы образцов, с различными покрытиями и без покрытия проходили усталостные испытания с периодичностью в 20000, 40000, 60000 и 80000 циклов нагружения. Также, образец из каждой группы доводился до разрушения, и происходила фиксация максимально возможного числа циклов для образцов без покрытия и образцов с покрытиями TIN, TICN и DLC.

Параллельно проводилось математическое моделирование процесса усталостных испытаний методом конечных элементов в лицензионной программной среде ANSYS Mechanical для визуального отображения картины распределения полей напряжений по площади экспериментального образца.

На третьем этапе образцы подвергались ультраструйному гидроабразивному воздействию, в результате которого на поверхности образца образовывалась гидрокаверна, по параметрам которой и происходило отслеживание критериев качества напыленного покрытия и материала подложки в целом.

На четвертом этапе экспериментальных исследований образцы подвергались скрайбированию для определения таких параметров как адгезия, разрушение и деформация покрытия в предварительно отмеченных трёх характерных реперных точках, где первая точка - точка максимальных напряжений, вторая точка - точка средних значений и третья точка область практически не подверженная усталостной нагрузке, согласно [105]. Также на этом этапе с помощью профилографа - профилометра была исследована гидрокаверна с целью получения сведений о её профиле и глубине гидрокаверны, с построением соответствующих профилограмм.

На пятом этапе экспериментальных исследований проводились трибологические испытания на экспериментальной фрикционной машине с целью установления зависимостей между результатами ультраструйной диагностики и результатами фрикционных испытаний.

Для наиболее полного анализа картины разрушения покрытия на подложке поверхность образцов в зоне образования гидрокаверн исследовалась с помощью двулучевого электронного микроскопа FEI Quanta 200 3D DualBeam с возможностью ионного травления. В результате были получены изображения поверхности образцов с покрытиями и кросс-секции гидрокаверн, полученных в результате УСД при различных увеличениях и выявлены механизмы образования и развития скрытых магистральных трещин, приводящих к непрогнозируемому разрушению покрытия.

Одним из заключительных этапов экспериментальных исследований, в рамках проведения промышленной апробации разрабатываемой методики, было проведено исследование методом УСД барьерных функций тонкого функционального покрытия на основе нитрида титана, нанесённого на поверхность дистанционной втулки центробежного насоса ЦНС-38, работающей в условиях интенсивного гидроэрозионного разрушения поверхности.

Поэтапный план проведения экспериментальных исследований представлен на Рис. 2.1.

Рис. 2.2. Методический план проведения экспериментальных

исследований

2.3. Технологическое обеспечение процесса нанесения функциональных

покрытий

Ионно-плазменная установка для нанесения высокопрочных покрытий семейства Platit [106], расположенная на лабораторной базе МГТУ им. Н.Э. Баумана (Рис. 2.3), использующая технологическое программное обеспечение PLATIT, позволяет наносить покрытия на режущий инструмент, штампы, пресс-формы и детали машиностроения, изготовленные из различных материалов, в том числе из быстрорежущей стали и твердого сплава, а также черметы. Нанесение покрытий на данные материалы происходит при температуре от 350 до 600 °С. Возможно также нанесение покрытий при более низких температурах (например, на инструментальные стали при температурах около 300 °С).

Процесс нанесения покрытия осуществляются с предварительной процедурой плазменной очистки и управляется в высокочастотном режиме или режиме постоянного тока.

Рис. 2.3. Электродуговая ионно-плазменная установка нанесения функциональных покрытий Р1аШ п80 [106] Установка позволяет наносить однослойные, многослойные, наноградиентные, нанослойные и нанокомпозитные покрытия.

Технологические возможности установки п80 позволяют наносить на различные материалы следующие типы покрытий: TiN, TiCN-MP, UniversAl®; TiAlN, AlTiN, TiAlCN+CBC (GRADVIC®) ZrN, CrN, CrN+CBC (CROMVIC®) AlCrN, nACo® (нанокомпозитное AlxTi1-x/Si3N3), nACRo® (нанокомпозитное AlCrN/ Si3N3) [106].

Так же программное обеспечение установки позволяет перепрограммировать стандартные «рецепты» процесса напыления покрытий, оптимизируя их под конкретные задачи и целевые характеристики получаемой плёнки.

Следует отметить, что представляющими особый практический интерес для данного исследования технологическими возможностями системы Platit п80 являются:

- на установках семейства Platit применена система с тремя вращающимися цилиндрическими катодами (Рис. 2.4),

- вакуумная камера с двойными стенками и водяным охлаждением;

- внутренние размеры камеры: 580 x 566 x 580 мм,

- вакуумная система с турбо молекулярным насосом,

- повторяемость процесса нанесения покрытия - 98%,

- высокая производительность.

Технические характеристики установки:

- Габаритные размеры: 2350х1600х2300мм,

- Используемый объем плазмы 0 485 мм,

- Система с турбомолекулярным насосом,

- Замкнутое магнитное поле (МАСС) для управления дугой,

- Импульсная BIAS (350 кГц) подача питания.

Рис. 2.4. Схема расположения катодов в камере установки [106] В результате технологической подготовки первого этапа экспериментальных исследований с помощью применения вышеописанного технологического оборудования были нанесены три типа покрытий на группы образцов для дальнейших исследований общим количеством 30 шт.

Изображение типового экспериментального образца с покрытием карбонитрида титана после процедуры УСД представлено на Рис. 2.5.

Рис. 2.5. Экспериментальный образец с нанесенным на поверхность тонким функциональным покрытием на основе карбонитрида титана

2.4„ Технологическое обеспечение процесса усталостных испытаний при

симметричном цикле нагружения

Экспериментальная лабораторная установка для усталостных испытаний [85] использовалась для исследования усталостной прочности при симметричном изгибе специальных образцов, изготовленных в соответствии с ГОСТ 25.502-79 (Рис. 2.6), согласно [128] из стали с различными покрытиями и без покрытия.

л

Рис. 2.6. Чертёж образца для проведения экспериментальных испытаний на усталостную прочность при симметричном знакопеременном изгибе [128] Схема нагружения образцов соответствует расчётной и представлена на Рис. 2.7, согласно [128].

Рис. 2.7. Схема изгибных испытаний образцов (1 - рабочая зона образца, 2 - центр рабочей зоны образца, 3 - рабочая зона, 1 - длина рабочей зоны образца, Р -изгибное усилие, утах - максимальная изгибная амплитуда в зоне точки 3) [128]

Усталостные испытания проводились по специальной методике, при которой первый образец испытывался до образования его полного разрушения с последующей фиксацией числа циклов нагружения N при котором оно происходило. В дальнейшем количество циклов N при испытании каждого последующего экспериментального образца уменьшалось на 25% [128].

В результате усталостных испытаний были получены три группы образцов по 10 шт. в каждой с тремя типами покрытий, которые прошли известное число циклов знакопеременного нагружения, а также одна группа образцов без покрытия.

Краткие технические характеристики использованной экспериментальной установки для проведения усталостных испытаний экспериментальных образцов приведены ниже (Таблица 4).

Таблица 4.

Технические характеристики машины для усталостных испытаний

Параметр Значение

Требуемое напряжение, В ~220

Потребная мощность, кВт 1,1

Частота нагружения, Гц 16,5

Максимальный прогиб образца, мм 20

Максимальная сила на приводном штоке, Н 400

Согласно [85] экспериментальная установка для усталостных

испытаний (Рис. 2.8, а) состоит из: стального основания 1, с четырьмя резиновыми ножками 2 для снижения вибрации.

На основании закреплен асинхронный электродвигатель 3, на валу которого при помощи шпонки и стопорного винта крепится маховик 4. Маховик имеет Т-образный паз 5, по которому может перемещаться и фиксироваться кривошип 6 приводного штока 7. Приводной шток крепится через наконечник 18 при помощи болтового соединения к концу приводной пластины 17, которая передает усилие

свободному концу образца 8, в свою очередь, закрепленному в держателе 9. Фиксация оборотов маховика осуществляется при помощи оптического датчика 10 [85].

Для предотвращения повреждения усталостной машины в случае поломки образца предусмотрен защитный проводник 11, соединенный через испытуемый образец с катушкой пускателя. В случае поломки образца происходит размыкание цепи питания катушки и напряжение с двигателя мгновенно снимается, однако, маховик продолжает вращаться по инерции еще несколько оборотов. Во избежание повреждения приводного штока в случае поломки образца, он имеет предохранительную опору 13, которая поддерживает шток даже при отсутствии образца и опору приводной пластины 16. С целью предотвращения случайного включения машины при ее настройке или обслуживании предусмотрен выключатель безопасности 12, который включен в сеть питания двигателя [85]. Значения изгиба образца фиксируются индикатором часового типа (ИЧ-5) 15 закреплённым на консоли 14 [85].

Рис. 2.8. Машина для проведения усталостных испытаний образцов

2.5. Программный комплекс для численного моделирования процессов испытаний и диагностики образцов с функциональными покрытиями

Для решения задач моделирования процессов усталостного нагружения и УСД экспериментальных образцов использовался лицензионный программный комплекс Ansys Autodyn© версии 12.1, позволяющий осуществлять решение линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твёрдого тела и механики газов, и жидкостей [108].

Данный пакет позволяет использовать математические методы решения задач, такие как метод Эйлера, Лагранжа и их комбинацию, а также метод гидродинамики сглаженных частиц с применением непривязанного к сетке решателя.

Применительно к задачам гидроабразивного резания Ansys Autodyn© версии 12.1 позволяет, в частности, оценить картину распределения напряжений в материале, динамику развития волновых процессов, а также влияние различных входных технологических параметров (таких как начальная скорость гидроструи, концентрация абразива, способ закрепления обрабатываемой детали и т.д.) на эффективность протекания процессов гидроэрозии.

Для комплексного решения задач данного исследования была использована система дифференциальных уравнений, позволяющая описать состояние сплошной среды и критерии её разрушения, с помощью полиномной модели состояния.

Подробное описание использованной на этапе математического моделирования системы дифференциальных уравнений представлено в научных работах и диссертационных исследованиях, выполненных под руководством В.И. Колпакова.

2.6. Технологическое обеспечение методики ультраструйной диагностики

функциональных покрытий

Принципиальная схема технологического процесса ультраструйного воздействия на исследуемые в ходе реализации экспериментальной части работы образцы представлена на Рис. 2.9.

диагностируемые образцы (1 - струеформирующее сопло, 2 -высокоскоростная гидроструя, 3 - мелкодисперсный спрей-пар, 4 -диагностируемый образец, 5 - осколки материала детали и покрытия, 6 - ФП, Ь - ширина образовавшейся гидрокаверны, - глубина гидрокаверны, -высота валика пластического оттеснения)

N 7

Рис. 2.9. Схема процесса ультраструйного воздействия на

Главным исполнительным элементом процесса ультраструйной диагностики экспериментальных образцов является сопло 1 гидроструйной установки.

Формируемая данным соплом ультраструя 2 производит диагностическое воздействие на поверхность исследуемого образца 4 с ФП 6 закреплённого в технологической оснастке, расположенной в рабочей зоне координатного стола промышленной установки для гидроабразивного резания.

Ультраструя 2 выполняет роль основного диагностического инструмента неподверженного износу и связанному с ним дальнейшему ухудшению точности технологического процесса диагностики, что обеспечивает повторяемость и низкую статистическую погрешность получаемых результатов

При этом, в зоне диагностического воздействия образуется сопутствующее облако мелкодисперсного спрея 3 состоящее из микрокапель воды и отколовшихся частичек ФП и материала подложки, являющихся побочным информативным параметром для исследования ряда процессов, протекающих в поверхностной структуре материала.

Удовлетворительным результатом ультраструйного диагностического воздействия является формирование требуемой для дальнейшего анализа и определения информативных диагностических признаков гидрокаверны шириной b и глубиной hk на поверхности образца.

Экспериментальные исследования по проведению ультраструйной диагностики образцов с покрытиями после усталостного нагружения проводились на лабораторной базе физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова с применением типовой установки для гидроабразивного резания Flow Mach 3 (Рис. 2.10).

В таблице 5 также приведены краткие технические характеристики данной технологической установки.

Установка подобного класса обладает технологическими возможностями регулирования с высокой точностью режимов гидроструйной обработки в широком диапазоне значений, а также позволяет производить базирование образцов различной формы и габаритных размеров на координатном столе установки, что является преимущественными параметрами при выборе оборудования для проведения экспериментальных исследований.

Рис. 2.10. Установка гидроабразивной резки Flow Mach 3 №1313 для ультраструйного воздействия на поверхность образцов [5]

Таблица 5.

Параметр Значение

Диапазон перемещения оси 7, мм 152.3

Точность перемещения, мм ± 0.0254

Скорость резания, мм/сек 340

Скорость свободной подачи, мм/сек 480

Размеры зоны обработки, мм 1270x2540

Номинальная мощность, кВт 37

Предельное давление воды, МПа 400

Основные этапы методики УСД экспериментальных образцов с тонкими ФП с применением установки Flow Mach заключались в:

1. Подготовке диагностируемого образца с учётом необходимости проведения гидроскрайбирования его поверхностной области (не менее трёх и не более десяти гидрокаверн на удалении не менее двух миллиметров друг от друга). Также необходимо предусмотреть выполнение 1-2 пробных проходов для подбора режима диагностирования (скорость подачи S режущего модуля установки, абразив не используется).

2. Базировании на координатном столе установки технологической оснастки, позволяющей неподвижно закрепить диагностируемый образец диагностируемой поверхностью перпендикулярно режущей головке оборудования,

3. Выборе и установке в системе управления гидроустановки необходимых режимов воздействия: гидродавления P=410 МПа, скорости подачи S, в соответствии с физико-механическими характеристиками материалов изделия и покрытия, а также его толщины, при этом расстояние от среза фокусирующей трубки до поверхности образца h должно составлять от трёх до пяти миллиметров, в зависимости от исходной геометрии исследуемой детали. Нулевая точка станка (запуск жидкостной струи) устанавливается на расстоянии не менее 40 мм от кромки образца. Данное условие обеспечивает рабочие режимы оборудования в процессе ультраструйной диагностики,

4. Закреплении диагностируемого образца в технологической оснастке,

5. Диагностическом воздействии (гидроскрайбировании) рабочей поверхности образца для формирования гидрокаверн в соответствии с п.1 данной последовательности.

6. Демонтаже экспериментального образца и последующем исследовании морфологии поверхности каждой гидрокаверны c помощью оптического микроскопа для дальнейшего анализа,

7. Проведении измерений глубин каждой гидрокаверны на базовой длине рабочей зоны образца с помощью профилографа-профилометра и занесении полученных значений в базу данных,

8. Повторении пунктов 1-7 данной методики для последующих экспериментальных образцов-комбинаций материалов покрытия и подложки.

2.7. Технологическое обеспечение метода скрайбирования для оценки качества функциональных покрытий

Согласно методическому плану проведения экспериментальных исследований, на следующем этапе работ был использован метод скрайбирования для определения поверхностных характеристик представленных покрытий для последующего сравнения получаемых информативных признаков с методом УСД.

Определение адгезионной прочности ФП и твердости царапанием (скрайбирование) - тесты для определения поверхностных механических свойств тонких пленок и покрытий, таких как адгезия, стойкость к разрушению и деформациям.

Метод заключается в формировании на поверхности испытуемого образца контролируемой царапины с помощью алмазного наконечника прибора -адгезиметра. При этом, при превышении определенной критической нагрузки происходит необратимый процесс разрушения структуры покрытия. Значения данной критической нагрузки являются информативным признаком данного метода и позволяют произвести количественную оценку адгезионных свойств различных сочетаний ФП и подложки.

Как отмечают авторы [109], с помощью адгезиметра (Рис. 2.11) определяются характеристики системы «покрытие - подложка» выражающиеся в количественных параметрах, таких как степень адгезии, момент сил трения и т.д.

Адгезиметр позволяет определять степень адгезионной стойкости покрытий в режиме дискретного нагружения [110].

Индентором является алмазная пирамидка с максимальной нормальной составляющей нагрузки до 5 Н [109]. В процессе измерений исследуемый образец совершает возвратно-поступательное движение в диапазоне скоростей от 0,4 до 4 мм/с. Согласно технологической схеме установки, исследуемый образец 3 закрепляется на подвижном столе 9, способном совершать возвратно-поступательные движения, при помощи прижимного механизма 5.

Винтом микрометрической подачи 4 образец перемещается перпендикулярно линии возвратно-поступательного движения, таким образом выбирается положение индентора 2 на поверхности образца.

Система нагружения состоит из кронштейна 7, на котором установлен индентор 2, тензобалка 1, с помощью которой получают информацию о коэффициенте трения и текущем усилии, которое препятствует возвратно -поступательному движению образца 3. Регулируемый противовес 6 позволяет производить балансировку системы, а грузик 8 определяет нормальную составляющую усилия прижима индентора.

Рис. 2.11. Установка для определения адгезионной стойкости покрытий методом скрайбирования [110]

В результате проведения сравнительных испытаний экспериментальных образцов было проведено скрайбирование поверхности образца с ФП с регистрацией расчетной нагрузки, глубины проникновения индентора и тангенциальной силы трения.

Измеренные параметры позволили произвести оценку системы «покрытие -подложка» для дальнейших исследований и верификации метода УСД образцов с ФП.

Технологическое обеспечение процесса исследования информативных параметров ультраструйной диагностики функциональных покрытий методом контактной профилометрии

Основным информативным критерием оценки при использовании методики УСД является глубина и ширина образовавшейся на поверхности объекта испытаний гидрокаверны [85].

Схема и методика экспериментальных исследований морфологических характеристик полученных гидрокаверн в общем виде соответствует предложенной в работе М.И. Абашина [85].

Для оценки информативных признаков в виде глубин, сформировавшихся в результате УСД образцов с ФП гидрокаверн в данном диссертационном исследовании, также был использован профилометр БВ-7669М [85].

С данным оборудованием (Рис. 2.12) используется комплекс программного обеспечения позволяющий получить полный спектр требуемых данных о морфологических характеристиках исследуемой поверхности с автоматической обработкой метрологических показателей, таких как шероховатость поверхности, высота профиля микронеровностей и т.д.

Рис. 2.12. Автоматический профилографа-профилометра БВ-7669М [85] В таблице 6 представлены краткие технические характеристики используемого профилографа - профилометра.

Применение данного оборудования позволило провести верификацию полученных с помощью оптического микроскопа данных об основных информативных признаках УСД таких как глубина и ширина образовавшейся гидрокаверны, а также форма её профиля

Таблица 6.

Краткие технические характеристики профилографа-профилометра БВ-_7669М [85]_

Параметр Значение

Точность (ГОСТ 19300) 1

Усилие при измерении, мН 4

Максимальная длина трассирования, мм 10

Диапазон скорости трассирования, мм/с 0,1 - 1

Радиус наконечника, мкм 10

Базовые длины, мм 0,08 / 0,25 / 0,80 / 2,5/8

На одном из этапов экспериментальных исследований с помощью профилографа - профилометра были изучены профили гидрокаверн, полученных в результате УСД с целью получения сведений о их профиле и глубине, с построением соответствующих профилограмм.

Полученные профилограммы были сопоставлены с изображениями гидрокаверн, полученными с помощью оптического микроскопа, и позволили выявить соответствие между состоянием гидрокаверны в заданных реперных точках характерных напряжений и её первичным профилем, что говорит о согласованности метода ультраструйной диагностики с одним из наиболее применяемых методов диагностики покрытий.

2.9. Технологическое обеспечение метода трибологических испытаний

функциональных покрытий

Одним из этапов экспериментальных исследований также являлось проведение трибологических испытаний образцов с ФП для дальнейшего сравнения информативных диагностических признаков данного метода, характеризующих состояние системы «подложка-покрытие» с результатами диагностики методом УСД.

Метод трибологических испытаний также получил наивысшие оценки по результатам экспертного оценивания.

Проведение подобных исследований требовалось для верификации и оценки достоверности результатов УСД. Трибологические испытания проводились на экспериментальной машине трения (Рис. 2.13).

Данная экспериментальная установка была спроектирована и изготовлена на кафедре технологий ракетно-космического машиностроения МГТУ им. Н.Э. Баумана (СМ-12) и представляет собой жесткую сварную рамную конструкцию с установленным асинхронным электродвигателем и системой управления на основе

частотного преобразователя и комплекса сертифицированных цифровых датчиков производства компании ZETLAB.

Принцип работы установки основан на передаче крутящего момента от электродвигателя на предметный столик через ременную передачу. При этом, угловая скорость вращения вала двигателя регулируется посредством управления частотным преобразователем.

Рабочая нагрузка в виде цилиндрического стержня с грузом закрепляется во втулке-направляющей, соединённой с датчиком-тензобалкой, измеряющей величину деформации с последующим её преобразованием в электрический сигнал.

Контртело представляет собой твердосплавный индентор (сфера), свободно закрепленный на конце стержня-нагрузки.

Эксцентриситет (радиус окружности движения индентора) регулируется с помощью маховика линейного привода. Контактная нагрузка индентора с образцом составляет 5 Ни регулируется массой сменного груза. Широкая номенклатура применяемых нагрузок позволяет проводить исследования коэффициента трения имитируя контактное нагружение, возникающее при эксплуатации изделия с покрытием при различных режимах эксплуатации.

Получаемые в результате подобных испытаний данные позволяют получать графики интенсивности фрикционного износа материала покрытия, что позволяет провести наиболее полную оценку его качества.

Применение данной методики также позволило определить взаимосвязь результатов методики ультраструйной диагностики ФП с результатами их трибологических испытаний, что позволяет говорить о корректности и достоверности предложенного в работе метода. Фотография и подробное описание экспериментальной машины для трибологических испытаний приведено на Рис. 2.13.

1 - блок нагрузки,

2 - оправка,

3 - электродвигатель,

4 -вал,

5 - система датчиков,

6 - контроллер управления,

7 - приводной шток,

8 - электродвигатель,

9 - рама-основание,

10 - электропитание.

Рис. 2.13. Установка для трибологических испытаний образцов

Методика проведения трибологических испытаний представляла собой следующую последовательность операций:

1. Очистке испытуемых образцов в растворе изопропилового спирта и дистиллированной воды в соотношении 50/50 в ультразвуковой ванне,

2. Установке и неподвижном закреплении испытуемого образца на предметном столе машины для трибологических испытаний,

3. Установке стержня-нагрузки с контртелом в направляющую втулку установки,

4. Контроле свободного перемещения контртела по поверхности образца путём ручного вращения вала двигателя,

5. Произведении пробного запуска установки на заданных режимах работы с целью тестирования функционирования всех датчиков в допустимых пределах их рабочих диапазонов,

6. Произведении рабочего запуска цикла на заданных режимах испытаний (угловая скорость вращения) с автоматической фиксацией параметров проведения испытаний (время испытаний и коэффициент трения испытуемой пары трения),

2.10. Технологическое обеспечение процесса исследования информативных параметров ультраструйной диагностики функциональных покрытий методом сканирующей электронной микроскопии

Для изучения подповерхностных дефектов и структуры материала на различных толщинах ФП материала подложки в работе также использовался метод электронной микроскопии.

Для проведения анализа поверхности образцов и сечения гидрокаверн были использованы возможности двулучевой ионно-электронной системы FEI Quanta 200 с возможностью ионного травления на базе аналитической лаборатории физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (Рис. 2.14).

Рис. 2.14. Двулучевая ионно-электронная система FEI Quanta 200 с возможностью ионного травления поверхности исследуемого объекта Данный микроскоп обладает возможностью создания микросечений, что позволяет изучить подповерхностную структуру образца непосредственно в вакуумной камере микроскопа.

Основными преимуществами при выборе данного метода исследований являлись:

- возможность создания изображений поверхности и приповерхностных слоев без предварительной подготовки образца,

- трехмерная реконструкция объектов,

- наличие режима естественной среды, обеспечивающего получение качественных изображений диэлектрических образцов,

- автоматизированная и ручная подготовка микросечений в любом месте образца.

Технологические возможности прибора позволяют использовать его для:

- изучения трещин в приповерхностных слоях материалов,

- определения поверхностных дефектов покрытий металлов,

- определения пространственного качественного и количественного распределения пор и дефектов в образце материала.

Краткие технические характеристики используемого оборудования приведены в таблице 7.

Таблица 7.

Технические характеристики ионно-электронного микроскопа FEI Quanta

200

Параметр Значение

Электронная оптика Термоэмиссионный катод, ускоряющее напряжение от 200 В до 30 кВ, ток зонда 1пА-30нА

Ионная оптика Ионная колонна с жидкометаллическим источником ионов, 12 сменных апертур

Рабочая камера Ширина 379 мм

Изображение 11 предустановленных комбинаций, разрешение до 3584х3004 точек

Данное оборудование было использовано в программе экспериментальных исследований для получения информации о состоянии покрытия, его геометрических параметрах для различных образцов на различных участках поверхности в том числе в месте воздействия твердотельного индентора и ультраструи жидкости.

В результате исследований с помощью данного микроскопа были получены изображения поверхности образцов с покрытиями после усталостного нагружения, адгезиометрии, а также полученных в результате УСД гидрокаверн при различных увеличениях, что позволило провести подробный анализ процесса формирования дефектов на поверхности и в структуре покрытия.

Выводы по главе 2

Во второй главе рассмотрены вопросы инженерно-методического обеспечения проводимых исследований.

Объяснено устройство, состав технологических модулей и принципы работы технологического и исследовательского оборудования, используемого в работе для реализации процесса разработки инженерно-методического обеспечения метода УСД ФП.

Представлены характеристики и возможности испытательной и измерительной базы исследований, применяемой для подготовки образов для испытаний и изучения результатов диагностики покрытий различными методами.

Предложено для рассмотрения методическое описание процессов проведения экспериментальных исследований и обработки полученных данных.

Кроме того, в главе показаны возможности используемого компьютерно-программного обеспечения теоретической части работы по моделированию процессов взаимодействия ультраструи жидкости с образцами, имеющими ФП.

В соответствии с методическим планом исследования, в главе два была осуществлена оценка возможности и перспективности использования высокоскоростной струи жидкости для оценки качества ФП методом экспертного оценивания.

В соответствии с разработанной совокупностью информативных диагностических признаков выполнено практическое сравнение различных существующих и перспективных видов диагностического воздействия на образцы с покрытиями, что в дальнейшем позволило определить их взаимосвязь с эксплуатационным состоянием системы «подложка-покрытие».

Проведены сравнительные испытания методов трибологических испытаний, адгезиометрии и метода УСД для подтверждения информативности и достоверности предложенного метода установления эксплуатационно -технологических характеристик изделий с ФП по результатам воздействия на них высокоскоростной струи жидкости.

Глава 3. Теоретическое обоснование возможности использования метода ультраструйной диагностики для оценки качества функциональных

покрытий

В главе 3 проведено теоретическое обоснование возможности использования метода ультраструйной диагностики для установления эксплуатационно-технологических характеристик функциональных покрытий. Построена феноменологическая модель процесса гидроэрозионного разрушения функционального покрытия в результате воздействия высокоскоростной гидроструи. Проведено математическое моделирование процессов усталостных испытаний, УСД и скрайбирования ФП. Проведён расчёт числа циклов усталостного знакопеременного нагружения до образования критических трещин в структуре ФП.

3.1. Результаты применения метода экспертных оценок по выбору методов

диагностики функциональных покрытий

В соответствии с методическим планом исследования на данном этапе работы был проведен опрос профессорско-преподавательского состава ряда технологических кафедр МГТУ им. Н.Э. Баумана и Физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Большинство экспертов являлись высококвалифицированными докторами технических наук, профессорами, входящими в состав диссертационных Советов по научным специальностям «Технологии машиностроения», «Технология машиностроения».

В состав экспертной группы входили:

- Д.т.н., профессор - 4 чел.,

- К.т.н. - 3 чел.,

- Представитель промышленности - 1 чел.

Проведение анкетирования и последующая статистическая обработка результатов проводилась на протяжении четырех месяцев.

По результатам статистической обработки результатов анкетирования были рассчитаны среднеарифметические значения оценок и среднеквадратическое отклонение экспертных мнений по каждому из восьми критериев.

Среднеарифметические значения оценок экспертов вычислялись суммированием всех оценок и делением полученного значения на общее число экспертов, принимавших участие в анкетировании.

Среднеквадратическое отклонение оценок экспертов определялось по известной методике [101].

На следующем этапе определялись

среднеарифметические значения и среднеквадратические отклонения экспертных оценок эффективности КТР.

По результатам статистической обработки результатов анкетирования были получены данные, отражающие

значимость критериев, характеризующих методы диагностики ФП.

Исходя из анализа результатов экспертной оценки, наиболее значимыми критериями оценки оцениваемых методов диагностики являются такие критерии как информативность, соответствие вида диагностического воздействия реальным нагрузкам, изученность и техническая реализуемость.

Для автоматизированной статистической обработки результатов анкетирования было использовано лицензионное программное обеспечение (ПО) «Программа для обработки и анализа данных экспертных оценок», разработанное на кафедре технологий ракетно-космического машиностроения Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана [1, 2, 4].

Данное ПО позволяет производить автоматизированную оценку согласованности мнений экспертов в соответствии с поставленными задачами, а также визуализировать результаты обработки и т.д.

Результатами обработки являлись табличные данные характеризующие показатели надёжности группы экспертов. Ячейки зелёного цвета отражают высокую согласованность мнений экспертов по выбранному критерию (значение < 0,2). Ячейки жёлтого цвета отражают средний уровень согласованности мнений экспертов по выбранному критерию (значение < 0,2).

Ячейки красного цвета отражают рассогласование мнений экспертов по выбранному критерию (значение больше 0,3).

На Рис. 3.1 показаны результаты расчета меры надежности экспертной оценки выбранных технологий диагностики с учётом степени согласованности мнений экспертов.

1%] Обработчик анкет

Файл Настройка отображения названий Справка (Р1) Т аблицы одного э ксперта 0 бщие таблицы | Выбирете столбец для таблицы А [Ранжированная взвешенная сумма

И

( ' Таблица А (по умолчанию из взвеш. суммы)

С Таблица Б (= АкАт)

С Таблица С (= Ат*А)

С Таблица обобщенной ранжировки объектов

(• Таблица мер надежности экспертизы

С Таблица доверительных интервалов оценок

¡учитывать весовой коэфф. при расчете мер! надежности

в»

ИНФ УПР ТР СВР ИЗ ПЕР ЗТР ПКТ

Объект

НИ 0,173В 0,1888 0,2418 0,2576 0,1428 0,1103 0,2012 0,2357

АДГ 0,1799 0,1028 0,2022 0,111В 0,1821 0,0917 0,17 0,241

ТМ 0,1 ВЗВ 0,0852 0,2863 0,1035 0,1046 0,1602 0,179 0,2282

ОМ 0,1634 0,2567 0,2056 0,1063 0,1046 0,1865 0,1197 0,3157

эм 0,1302 0,1347 0,2249 0,1063 0,1238 0,0981 0,1495 0.2952

УСД 0,0983 0,1888 0,1767 0,12 0,1427 0,103 0,2363 0,1873

Рис. 3.1. Результаты расчета меры надежности экспертной оценки выбранных технологий диагностики По большинству рассматриваемых критериев преобладает высокий уровень согласованности экспертных мнений, что позволяет сделать заключение о достаточном уровне достоверности экспертных оценок.

Средняя согласованность в оценках по ряду методов предположительно связана с привлечением к экспертизе специалистов из мультидисциплинарных областей науки и промышленности.

Также программное обеспечение позволило рассчитать ранжированную оценку взвешенных сумм (Таблица 8).

Таблица 8.

Ранжированная оценка взвешенных сумм__

Наименование Э1 Э2 Э3 Э4 Э5 Э6 Э7 Ей

НИ 6 5 6 5 6 6 6 40

АДГ 3 3 3 3 3 3 2 20

ТМ 1 1 2 2 2 2 3 13

ОМ 4 4 5 6 5 4 5 33

ЭМ 5 6 4 4 4 5 4 32

УСД 2 2 1 1 1 1 1 9

В результате обработки данных экспертной оценки также был рассчитан коэффициент согласованности экспертов равный W =0,888.