ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online)
Наука
та прогрес транспорту. Вісник
Дніпропетровського
національного університету залізничного
транспорту, 2020, № 5 (89)
МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО
УДК 621.793.7:519.87
А. Н. СЕРЕНКО1, И. В. ЗАХАРОВА2*
1*Каф.
«Автоматизация и механизация сварочного
производства», Приазовский государственный 2*Каф.
«Автоматизация и механизация сварочного
производства», Приазовский государственный
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОКРЫТИЯХ,
Цель.
Авторы предусматривают разработать
математическую модель расчетного
определения остаточных напряжений в
произвольном слое газотермического
покрытия на основании величины изменения
геометрии основы (прогиб образца) и
закона изменения производной от толщины
слоя, дальнейшего регулирования этих
напряжений, изменяя технологические
параметры напыления под каждый вид
напыляемого покрытия. Методика.
На основании известных работ по
определению напряжений в сварных
соединениях, наплавленных стальных
слоях выработан подход для определения
прогиба образцов после послойного
напыления. Данные параметры прогиба
положены в разработанную математическую
модель влияния на напряженное состояние.
Систематизированы сведения по изучению
основных видов остаточных (внутренних)
напряжений как
I рода, которые распределены в объеме
всей детали (образца) с покрытием, так
и II рода, локализованные
в объеме напыляемых частиц.
Результаты. Представлены
исследования остаточных напряжений,
возникающих в нанесенном слое, величина
и характер распределения которых зависит
от типа, основного и напыляемого
материалов, способов и параметров
напыления, жесткости детали и других
факторов. Показана важная роль оценки
остаточных напряжений в газотермическом
покрытии расчетным методом в связи со
сложностью экспериментального определения
кинетики развития напряжений в композите
покрытие – основа.
Научная новизна.
Авторы этой работы
на основании впервые созданной
математической модели и программного
продукта Mathcad–Prime 6 2020 провели исследование
уровня и принципов образования остаточных
напряжений в покрытии при газотермическом
послойном напылении различными
материалами, в том числе с возможностью
использования пульсирующего распыляющего
воздушного потока. Аналитические
исследования показали, что внимание в
литературе за последние пять – семь
лет было уделено изучению остаточных
напряжений и деформаций в сварных
соединениях, и только рост интереса к
технологии напыления открывает широкие
возможности изучения формирования
полей напряжений в газотермическом
покрытии. Практическая
значимость. Результаты,
полученные в рамках данной работы,
подтверждают образование остаточных
напряжений в покрытиях и могут быть
использованы в качестве расчетных
программ при решении конструкторских
задач, а также в образовательных целях
при подготовке профильных специалистов.
Ключевые
слова: работоспособность;
остаточные напряжения; покрытие; основа;
математическая модель
Введение
Работоспособность
газотермического покрытия и его
технологические свойства зависят от
ряда факторов, которые закладывают в
него на различных этапах формирования,
начиная от выбора наносимого материала
и заканчивая технологиями финальной
обработки.
Остаточные напряжения,
всегда возникающие при послойном
газотермическом нанесении, являются
одним из основных факторов, определяющих
прочность сцепления с основой покрытия,
нанесенного практически любым способом
напыления. Наиболее широко изучена и
представлена в литературе проблематика
образования напряжений в сварных
конструкциях и их влияние на качество
сварного узла [2, 3, 9], которые принимают
за основу при разработке последующих
инженерных методик оценки величины и
характера внутренних напряжений, в том
числе и в однослойных упрочняющих
покрытиях [5, 11].
Исследования
показывают, что с ростом востребованности
технологии газотермического нанесения
продолжаются работы по повышению
надежности и прочности сцепления
покрытий. Промышленное использование
газотермических покрытий нашло
применение в качестве подслоев
(основа) перед нанесением покрытий со
специализированными свойствами,
например, лакокрасочными [12], к которым
предъявляют особые требования по
прочности сцепления и напряженности.
Прочность сцепления покрытий с
поверхностью рассматривают как основной
фактор [1, 3, 4] при разработке сортамента
наносимых материалов, для различных
условий эксплуатации поверхности в
условиях промышленного трения, нанесения
защитных покрытий на стальные и бетонные
конструкции, а также коррозионной
стойкости в морских условиях [6, 7, 8].
Цель
Учитывая тенденции
развития технологий напыления металлов,
авторы ставят цель разработать
математическую модель расчетного
определения остаточных напряжений в
произвольном слое газотермического
покрытия для оперативного прогнозирования
и управления остаточными напряжениями
в композите, а как следствие – для
дальнейшего регулирования их значения с учетом
различных технологических параметров
напыления для различных видов покрытия.
Методика
На основании работ
по определению напряжений в сварных
соединениях выработан подход определения
прогиба образцов после послойного
напыления. Данные параметры прогиба
положены в основу разработки математической
модели влияния на напряженное состояние.
Систематизированы сведения по изучению
основных видов остаточных (внутренних)
напряжений как I рода, которые распределены
в объеме всей детали (образца) с
покрытием, так и II рода, локализованных
в объеме напыляемых частиц.
Используя общий
метод определения напряжений,
рассмотренный в [3, 10], авторы поставили
задачу получить расчетные зависимости,
связывающие величину остаточных
напряжений в нанесенном слое a
с измеряемыми деформациями ()
или перемещениями (f-
прогиб) стержня.
Рассмотрим
призматический стержень высотой h2
(рис. 1) с модулем упругости E2,
на который нанесено покрытие a
с модулем упругости E1.
Предположим, что осевые остаточные
напряжения постоянны по длине стержня
l (за исключением зоны
краевого эффекта по концам стержня
Рис.
1. Остаточные напряжения:
Fig
1. Residual stresses:
После нанесения
элементарного слоя толщиной da
возникающие в нем напряжения
где Aa,
Ba
– жесткость биметаллического стержня
на сжатие и изгиб соответственно;
Жесткость стержня
на сжатие определим из соотношения:
После
интегрирования и некоторых преобразований
выражение (3) можно представить в
следующем виде:
Жесткость
сечения стержня на изгиб определим из
соотношения:
Проинтегрировав
(5) и сделав некоторые преобразования,
получим:
Расстояние
ea
будем определять из условия:
Тогда после
преобразований получим:
При
равенстве модулей упругости стержня
и покрытия (β = 1)
т. е. совпадает с
центром тяжести прямоугольного сечения
однородного металла.
Деформация
в крайнем нижнем волокне стержня от
действия элементарной силы dPa:
После
подстановки в (11) выражений (4), (6), (9) и
преобразований будем иметь:
Нанесение
последующих (после слоя a)
слоев покрытия до окончательной его
толщины h1
(рис.
1, б)
приведет к возникновению в слое a
добавочных
напряжений ад,
которые вместе с напряжениями (13)
позволят определить полные остаточные
напряжения в рассматриваемом слое:
Для
определения величины
Рис.
2. Дополнительное напряжение при
выполнении последующих (после а)
слоев Fig.
2. Additional stress when performing subsequent (after a)
layers
Далее,
если учесть, что добавочные напряжения
в слое ,
возникающие при его нанесении
Величины
Из
соотношений (13), (14) и (17) вытекает основная
расчетная формула для определения
остаточных напряжений в биметаллических
стержнях прямоугольного сечения методом
измерения продольной деформации:
Данная формула
удовлетворяет общим условиям равновесия:
Проверка этих
условий контролирует только правильность
расчета.
После
нанесения элементарного слоя толщиной
da
(рис. 1, а)
возникающая в нем элементарная сила
dP
вызывает изгиб стержня моментом
Добавочные
напряжения в рассматриваемом слое a
при выполнении последующих слоев будем
определять по аналогии с формулами
(15) и (16), из которых с учетом зависимости
(14) вытекает основная расчетная формула
для определения остаточных напряжений
в покрытиях методом измерения прогиба
стержня:
Получив
в результате эксперимента зависимость
величины деформации крайнего волокна
(первый метод) или величины прогиба
середины образца (второй метод) от
толщины наносимого покрытия, можно по
выражениям (18) и (22) рассчитать величину
остаточных напряжений в любой точке
по толщине напыленного слоя. Необходимые
для этих расчетов значения производных
Приближенное
значение интеграла вычисляем любым
численным методом.
Прогиб
считается положительным, если он
направлен в сторону от выполняемого
слоя. Если при расчете по выражениям
(18) или (22) величина a
оказывается положительной, то остаточные
напряжения растягивающие.
В некоторых
случаях напыления деталей необходимой
толщины покрытия достигают за один
проход. Поэтому определение величины
и характера распределения остаточных
напряжений в нем можно определить,
используя послойное удаление покрытия
путем механической обработки, например,
шлифовкой. Такая задача решена в работе
[10], и применительно к нашим обозначениям
основная расчетная формула для
определения ост
в
биметаллических стержнях прямоугольного
сечения методом измерения прогиба
будет иметь вид:
В этой формуле
приняты следующие обозначения:
Из анализа
формул (18), (22), (23) видно, что для расчетного
определения остаточных напряжений в
произвольном слое а
покрытия необходимо знать не только
величину прогиба, но и закон изменения
производной от толщины слоя. В связи с
этим процедуру расчета остаточных
напряжений (при послойном наращивании
покрытия) осуществляют следующим
образом.
После
нанесения очередного слоя на образец
производим определение приращения
толщины слоя
Таблица 1
Экспериментальные
данные зависимости прогиба образца
Table 1
Experimental
data on the dependence i Показания
индикатора, мм
мм
fi, мм
мм
аi, мм h2
+ аi, мм
Gj, г
г начальн. послед.
расчет измерение 0 0,069 0,069 0 0 0 0 10,1 10,1 0 0 1 0,069 0,103 0,034 0,034 0,127 0,127 10,227 10,3 1,7 1,7 2 0,103 0,148 0,045 0,079 0,134 0,261 10,361 10,5 1,8 3,5 3 0,148 0,162 0,014 0,093 0,127 0,388 10,488 10,7 1,7 5,2 4 0,162 0,142 0,020 0,113 0,141 0,529 10,629 10,8 1,9 7,1 5 0,142 0,150 0,008 0,121 0,149 0,678 10,778 10,9 2,0 9,1 6 0,150 0,152 0,002 0,123 0,134 0,812 10,912 11,1 1,8 10,9 7 0,152 0,158 0,006 0,129 0,141 0,953 11,053 11,2 1,9 12,8 8 0,158 0,160 0,002 0,131 0,149 1,102 11,202 11,3 2,0 20,8 9 0,160 0,161 0,001 0,132 0,149 1,251 11,351 11,4 2,0 22,8 10 0,161 0,160 –0,001 0,131 0,149 1,4 11,5 11,5 2,0 24,8
Размер
стержня: h2
= 10,1 мм; b
= 20,2 мм.
Режимы
напыления: Iсв
= 150 А; Uд
= 28 В; Vн
= 66,3 мм; Lн
= 120 мм.
Прогиб от наклепа
пескоструйной обработкой 0,023 мм.
В таблице приняты
следующие обозначения:
fi
– текущее значение прогиба, мм;
Dfi
– приращение
прогиба, мм;
аi
– текущее значение толщины слоя, мм;
Dаi
– приращение толщины слоя, мм;
h2+аi
– общая толщина стержня и покрытия,
мм;
Gj
– приращение массы покрытия, г;
i
– номер
напыленного слоя.
Перед
напылением поверхность каждого образца
подвергалась пескоструйной обработке
корундовым песком при давлении воздуха
0,6 МПа. Под воздействием пескоструйной
обработки наблюдается прогиб образцов
в сторону обрабатываемой поверхности,
что указывает на появление в поверхностном
наклепываемом слое напряжений сжатия.
Если принять толщину наклепываемого
слоя равной 50…60 мкм [13] и считать
распределение остаточных напряжений
сжатия по толщине равномерным, можно
показать, что их величина достигает
значений 350…400 МПа. По-видимому, эти
напряжения будут сниматься в момент
напыления за счет теплового воздействия
расплавленных капель на поверхностные
слои. Более того, в результате
неравномерного нагрева основы при
нанесении первого слоя происходит
образование в тонком поверхностном
слое основы напряжений растяжения. Для
подтверждения этого мы провели измерение
остаточного прогиба образца после
нанесения первого слоя и его
самопроизвольного отслаивания за счет
предварительной обработки поверхности
графитом.
Таким образом,
начальный прогиб образца fн,
вызванный его неравномерным нагревом
при нанесении первого слоя, приведет
к возникновению начальных напряжений
в образце, которые следует затем вычесть
из напряжений, рассчитываемых по
вышеприведенным формулам (табл. 1).
По результатам
исследований строят графики зависимостей
прогиба образца от толщины покрытия
а.
В методике определения
остаточных напряжений
Для решения этой
задачи вначале ищется интерполяционный
полином подходящей степени (уравнение
кривой f(a)),
проходящей через экспериментальные
точки (рис. 3).
Рис. 3.
Нахождение интерполяционного полинома
Fig.
3. Finding the interpolation polynomial
С целью уточнения
искомого уравнения fd(a)
целесообразно назначить координаты
фиктивных точек – начальной (ан.ф.,
рис. 4), по уравнению параболы f1d(x),
проходящей через точки (а1,
f1) и (а2,
f2). Это
необходимо для получения достаточно
гладкой кривой (особенно для полинома
высокой степени) в начале координат и
конце кривой.
Уравнение параболы
в начальных точках будет иметь вид:
Для
конечной точки ак.ф
уравнение параболы f2d(x),
проходящей через точки (аi-1,
fdi+1),
будет в следующем виде:
Тогда, задавая
принятое значение абсцисс начальной
точки ан.ф. = 0,1 мм и конечной
фиктивной точки ак.ф. = аn
+ 0,1, находим соответствующие
прогибы по формулам (23) и (24).
Таким образом,
получаем требуемое уравнение f(a)
в виде полинома, продифференцировав
который, находим и соответствующие
величины производных
Описанная процедура
подбора интерполяционного полинома
реализована в специально разработанном
алгоритме и составленной Mathcad-программе,
позволяющей вычислить и последующие
расчеты в диалоговом режиме. В качестве
программного продукта используют пакет
Mathcad–Prime6
2020. Результаты расчета могут быть
представлены как в виде таблиц, так и
в виде графиков.
Рис. 4.
Координаты фиктивных точек Fig.
4. Coordinates of fictitious points
Результаты
На основании
рассмотренной методики расчета и
практических данных измерения параметров
прогиба, изменения толщины и массы
нанесенного слоя при послойном напылении
различных материалов на стальной
образец прямоугольной формы определены
величины остаточных напряжений в
покрытии для различных материалов и
на различных параметрах напыления.
Подтверждено, что они зависят от
технологических параметров и типа
наносимого материала.
В качестве иллюстрации
обработки экспериментальных данных
приведен рис. 5.
Рис. 5.
Зависимость прогиба образцов от толщины
покрытия при дистанции напыления lн
= 120 мм
Fig.
5. Dependence of the sample deflection on the coating thickness at a
spraying distance lн
= 120 mm and a metallizer
movement speed Vн
= 26.4 mm/s for materials in the following arc burning modes:
На рис.
6 приведены зависимости изменения
прогибов образцов для некоторых
фиксированных значений толщины покрытия
при напылении проволокой Св–08А. Можно
видеть, что прогиб образцов изменяется
в достаточно широких диапазонах, что
сказывается на величине остаточных
напряжений в покрытии и основе.
Рис. 6.
Зависимость прогиба образцов от толщины
наносимого покрытия Vн = 26,4
мм/с
Fig.
6. Dependence of the sample deflection on the thickness
Исходя из анализа
графиков, можно сделать вывод, что
остаточные напряжения распределяются
крайне неравномерно по толщине покрытия.
Рост величины напряжений не прямо
пропорционально увеличению толщины
наносимого покрытия и имеют максимальное
значение в переходной зоне на участке
неоднородности покрытие – образец.
Наиболее оптимальным
является послойное нанесение малых
слоев толщиной 0,5 мм на дистанции
(расстояние от зоны горения дуги до
поверхности детали) 150 мм, что может
быть применимо только для данного типа
наносимого материала. Проведенные
исследования пяти различных типов
распыляемых материалов подтверждают,
что величина и принцип распределения
остаточных напряжений в покрытии
критично зависят от свойства напыляемого
материала, дистанции напыления и
наносимого за один проход слоя. С
уменьшением дистанции напыления менее
80 мм резко возрастает толщина покрытия,
нанесенного за один проход, и,
соответственно, прогиб образца и
наводимые остаточные напряжения.
Научная новизна
и практическая
В работе рассмотрено
влияние остаточных напряжений на
работоспособность напыленных покрытий,
представлена математическая модель,
определяющая остаточные напряжения
в покрытиях, нанесенных различными
методами газотермического напыления,
в том числе с использованием
пульсирующего распыляющего воздушного
потока. Результаты, полученные в рамках
данной работы, позволят контролировать
напряженное состояние покрытий,
нанесенных различными методами
газотермического напыления, их можно
применять при решении конструкторских
задач, кроме этого, они являются
актуальными в образовательных целях
при подготовке профильных специалистов
по инженерным направлениям.
Выводы
1. Разработана
математическая модель определения
остаточных напряжений в нанесенном
покрытии на призматическом стержне,
позволяющая установить величину и
характер распределения напряжений в
покрытии и стержне, а также факт «скачка»
напряжений в переходной зоне.
2. Остаточные
напряжения в напыленном газотермическом
покрытии распределяются неравномерно
по толщине и имеют максимальное значение
в переходной зоне. С послойным нарастанием
толщины покрытия величина напряжения
возрастает непропорционально, замедляя
рост, однако суммарная усадочная сила
в слое и, соответственно, уровень
напряжений в переходной зоне непрерывно
возрастают.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ
ИСТОЧНИКОВ
Глушкова
Д. Б. Повышение долговечности поршневых
колец методом двухпроволочной
металлизации. Вестник ХНАДУ. 2018.
Вып. 82. С. 27–34. DOI:
10.30977/BUL.2219-5548.2018.82.0.27
Девойно О.
Г., Пантелеенко А. Ф. Исследование
износостойких покрытий из
диффузионно-легированной аустенитной
стали, полученных плазменным напылением
и последующей лазерной обработкой.
Наука и техника. 2017. T. 3,
№ 16. C. 249–255.
DOI:
10.21122/2227-1031-2017-16-3-249-255
Зайцев А.
Н., Александрова Ю. П., Ягопольский А.
Г. Сравнительный анализ физико-механических
свойств газотермических радиационно-стойких
электроизоляционных покрытий в
зависимости от метода нанесения.
Известия Высших Учебных Заведений.
Машиностроение. 2018. № 6 (699). C.
12–23. DOI: 10.18698/0536-1044-2018-6-12-23
Захаров Б.
М., Ступников В. П., Маркосян Т. С. Об
использовании разделительных покрытий
в высокотемпературных технологических
процессах. Вестник МГТУ им. Н.
Э. Баумана. Машиностроение.
2016. № 6. C. 136–140. DOI:
10.18698/0236-3941-2016-6-136-140
Кравченко
И. Н., Зубрилина Е. М., Чеха Т. А., Добычин
М. В. Технология нанесения защитных
покрытий на поршневые кольца дизельных
двигателей. Вестник ДГТУ.
2016. № 3
(86). С. 59–64.
DOI: 10.12737/20221
Оковитый
В. А., Пантелеенко Ф. И., Оковитый В. В.,
Асташинский В. М. Получение композиционного
керамического материала для
газотермического напыления. Наука
и техника. 2017. T. 16,
№ 3.
Пантелеенко
Ф. И., Оковитый В. А., Пантелеенко А. Ф.
Материалы для газотермического
напыления, полученные методом
диффузионного легирования из порошков
на основе сталей аустенитного класса.
Наука и техника. 2019. T.
18, № 5. C. 380–385. DOI:
10.21122/2227-1031-2019-18-5-380-385
Петришин
Г. В., Быстренков В. М., Одарченко В. И.
Метод обеспечения износостойкости
лопаток лопастных смесителей. Литье
и металлургия. 2019. № 2. C.
32–35.DOI: 10.21122/1683-6065-2019-2-32-3512
Роянов В.
А., Зусин В. Я., Самотугин С. С. Дефекты
в сварных соединениях и покрытиях
: учебное пособие. Мариуполь : Изд-во
ПГТУ, 2000. 184 с.
Тимохова
О. М., Бурмистрова О. Н., Тимохов Р. С.
Исследование интенсивности изнашивания
газотермических покрытий деталей
лесных машин. Международный
научно-исследовательский журнал.
2020. № 8 (98). C. 153–156.
Noyce
P. A., Crevello G. L. Metallized Coatings for Corrosion Control.
Structural Practices.
2017. P. 16–21.
Preikschat
P., Skalsky A. Metal Coating as a Base for Paint. IST
International Surface Technology.
2018. P. 38–39.
О. М. СЕРЕНКО1,
І. В. ЗАХАРОВА2*
1Каф.
«Автоматизація та механізація
зварювального виробництва»,
ВИЗНАЧЕННЯ
ЗАЛИШКОВИХ НАПРуЖЕНЬ У ПОКРИТТЯХ,
Мета.
Автори передбачають розробити математичну
модель розрахункового визначення
залишкових напружень у довільному шарі
газотермічного покриття на підставі
величини зміни геометрії основи (прогин
зразка) та закону зміни похідної від
товщини шару, для подальшого регулювання
цих напружень, змінюючи технологічні
параметри нанесення матеріалів під
кожен вид напилюваного покриття.
Методика.
На підставі відомих робіт із визначення
напружень у зварних з’єднаннях,
наплавлених сталевих шарах вироблено
підхід для визначення прогину зразків
після пошарового напилення. Ці параметри
прогину покладено в розроблену
математичну модель впливу на напружений
стан. Систематизовано відомості з
вивчення основних видів залишкових
(внутрішніх) напружень, як I роду, які
розподілені в об’ємі всієї деталі
(зразка) з покриттям, так і II, локалізовані
в об’ємі частинок, якi напилюють.
Результати.
Представлено дослідження залишкових
напружень, що виникають у нанесеному
шарі, величина й характер розподілу
яких залежить від типу, основного та
напилюваного матеріалів, способів і
параметрів напилення, жорсткості деталі
та інших факторів. Показано важливу
роль оцінки залишкових напружень в
газотермічному покритті розрахунковим
методом у зв’язку зі складністю
експериментального визначення кінетики
розвитку напружень в композиті покриття
– основа. Наукова
новизна. Автори цієї
роботи на підставі вперше створеної
математичної моделі та програмного
продукту Mathcad–Prime 6 2020 проведи дослідження
рівня та принципів утворення залишкових
напружень у покритті в разі газотермічного
пошарового напилення різними матеріалами,
у тому числі з можливістю використання
пульсуючого розпилювального повітряного
потоку. Аналітичні дослідження показали,
що увагу в літературі за останні
п’ять–сім років було приділено вивченню
залишкових напружень і деформацій
у зварних з’єднаннях, і тільки зростання
інтересу до технології напилення
відкриває широкі можливості вивчення
формування полів напружень у газотермічному
покритті. Практична
значимість. Результати,
отримані в рамках цієї роботи,
підтверджують утворення залишкових
напружень у покриттях і можуть бути
використані як розрахункові програми
для вирішення конструкторських завдань,
а також в освітніх цілях під час
підготовки профільних фахівців з
інженерних спеціальностей.
Ключові
слова: працездатність; залишкові
напруження; покриття; основа; математична
модель
O.
M. SERENKO1,
I. V.
ZAKHAROVA2* 1*Dep.
«Automation and Mechanization of Welding Production»,
DETECTION
OF RESIDUAL STRESSES IN COATINGS
Purpose. The
authors propose to develop a mathematical model for the calculated
determination of residual stresses in arbitrary layer of a thermal
gas coating based on the change magnitude in the base geometry
(sample deflection) and the variation law of the layer thickness
derivative, further regulation of these stresses by changing the
technological parameters of spraying for each type of sprayed
coating. Methodology. Based on known works on stress
detection of in welded joints, the approach of determination of
samples deflection after layer-by-layer spraying was developed.
These deflection parameters are the basis for the developed
mathematical model of influence on the stress state. The data on the
study of the main types of residual (internal) stresses, as I type,
distributed in the volume of the whole part (sample) with coating,
and II type, localized in the volume of sprayed particles, are
systematized. Findings. We presented investigations of the
residual stresses arising in the applied layer, the magnitude and
nature of the distribution of which depend on the type, base and
sprayed materials, methods and parameters of spraying, the rigidity
of the part, and other factors. The important role of evaluating
residual stresses in a thermal gas coating by the calculation method
is shown in connection with the complexity of the experimental
determination of the kinetics of stress development in the
coating-base composite. Originality. The authors of this
work, on the basis of the first created mathematical model and
software product Mathcad-Prime 6 2020, conducted a study of the
level and principles of the formation of residual stresses in the
coating during gas-thermal layer-by-layer spraying with various
material, including the possibility of using a pulsating spraying
air flow. Analytical studies have shown that the attention in the
literature over the past five to seven years has been paid only to
the study of residual stresses and deformations in welded joints,
and only the growing interest in spraying technology opens up wide
possibilities for studying the formation of stress fields in a
thermal gas coating. Practical relevance. The results
obtained in this paper confirm the formation of residual stresses in
coatings and can be used as computational programs to solve design
tasks, as well as for educational purposes during experts training
in engineering fields.
Keywords:
operability; residual stresses; coating; base; mathematical model
REFERENCES
Hlushkova,
D. B. (2018). Increase of longness of piston rings method of
two-wire metalization. Bulletin
of Kharkov National Automobile and Highway University, 82,
27-34. DOI: 10.30977/BUL.2219-5548.2018.82.0.27
(in
Russian)
Devoino,
O. G., & Panteleenko, A. F. (2017). Investigation on
wear-resistant coatings from diffusion-alloyed austenitic steel
obtained by plasma spraying and subsequent laser processing.
Science
& Technique, 16(3),
249-255. DOI: 10.21122/2227-1031-2017-16-3-249-255
(in Russian) Zaytsev,
A. N., Aleksandrova, U. P., & Yagopolskiy, A. G. (2018). A
Comparative Analysis of Physical and Mechanical Properties of
Gas-Thermal Radiation-Resistant Electrical Insulating Coatings
Depending on the Application Method. Proceedings
of Higher Educational Institutions. Маchine Building, 6(699),
12-23. DOI: 10.18698/0536-1044-2018-6-12-23
(in Russian) Zakharov,
B. M., Stupnikov, V. P., & Markosyan, T. S. (2016). On the use
of Dividing Coatings in High-Temperature Technological Processes.
Herald
of the Bauman Moscow State Technical University. Series Mechanical
Engineering, 6,
136-140. DOI: 10.18698/0236-3941-2016-6-136-140
(in Russian) Kravchenko,
I. N., Zubrilina, Е. М., Czecha, Т. А., & Dobychin, M. V.
(2016). Technique of applying protective coatings on diesel piston
rings. Vestnik
of Don State Technical University, 3(86),
59-64. DOI: 10.12737/20221 (in Russian) Okovity,
V. A., Panteleenko, F. I., Okovity, V. V., & Astashinsky, V. M.
(2017). Production of composite ceramic material for thermal
spraying. Science
& Technique, 16(3),
181-188. DOI: 10.21122/2227-1031-2017-16-3-181-188
(in Russian) Panteleenko,
F. I., Okovity, V. A., & Panteleenko, A. F. (2019). Materials
for Gas-Thermal Spraying, Obtained by Diffusion Alloying from
Powders Based on Austenitic Steels. Science
& Technique, 18(5),
380-385. DOI: 10.21122/2227-1031-2019-18-5-380-385
(in Russian) Petrishin,
G. V., Bystrenkov, V. M., & Odarchenko, V. I. (2019). Method of
providing wear-resistance of the blades of paddle mixers. Litiyo
i Metallurgiya, 2,
32-35. DOI: 10.21122/1683-6065-2019-2-32-3512
(in Russian) Royanov,
V. A., Zusin, V. Ya., & Samotugin, S. S. (2000). Defekty
v svarnykh soedineniyakh i pokrytiyakh:
uchebnoe posobie. Mariupol: Izdatelstvo PGTU.
(in
Russian) Timokhova,
О. М., Burmistrova, О. N., & Timokhov, R. S. (2020).
Investigation of the wear rate of thermal spray coatings of forest
machine parts. International
Research Journal, 8(98),
152-156. (in Russian) Noyce,
P. A., & Crevello, G. L. (2017). Metallized Coatings for
Corrosion Control. Structural
Practices,
16-21. (in English) Preikschat,
P., & Skalsky, A. (2018). Metal Coating as a Base for Paint.
IST
International Surface Technology,
38-39. (in English)
Поступила в
редколлегию: 05.06.2020
Принята к печати:
09.10.2020
Creative
Commons Attribution 4.0 International
doi:
10.15802/stp2020/217611 ISSN 2307–3489 (Print)
технический университет, ул. Университетская,
7, Мариуполь, Украина, 87500, тел. +38 (067) 958
20 17,
эл. почта zsv-73@i.ua,
ORCID
0000-0002-8536-6313
технический университет, ул.
Университетская, 7, Мариуполь, Украина,
87500, тел. +38 (067) 845 25 39,
эл. почта
zakharovaiv75@gmail.com,
ORCID
0000-0002-3492-0134
ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ДУГОВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ
С ПУЛЬСИРУЮЩИМ РАСПЫЛЯЮЩИМ ПОТОКОМ).
а
–
в слое; б
– в биметаллическом стержне прямоугольного
сечения
а
–
in the layer; b
– in a bimetallic rod of rectangular section
вызовут сжатие и изгиб стержня
элементарной силой
,
под действием которой в крайнем
нижнем волокне стержня возникнут
напряжения сжатия
(1)
, (2)
ea
– расстояние
от нижней грани стержня до приведенного
центра тяжести сечения после нанесения
слоя толщиной а (рис. 1, а)..
(3)
, (4)
.(5)
, (6)
;
(7)
. (8)
. (9)
, (10)
.(11)
, (12)
. (13)
. (14)
нужно рассмотреть, что произойдет, если
нанести добавочный слой d(рис.
2). В этом случае на стержень начинают
действовать усилия
и момент
,
создающие в слое a
напряжения:
. (15)
определяют по формуле (13), заменив
на
,
получим:
.
(16)
,
(17)
,
определяют из формул (4), (6), (9), (12), заменяя
на
.
.(18)
.
(19)
,
приводящим к возрастанию прогиба
стержня на величину:
,
(20)
,
(21)
. (22)
и
можно определить параболической
аппроксимацией или любым другим
способом.
. (23)
и, соответственно, прогиба
.
Учитывая, что наносимый слой является
шероховатым и может иметь разброс
толщины на всей напыляемой поверхности,
определение приращения толщины слоя
было произведено через приращение
массы напыленного слоя путем взвешивания
образца после каждого слоя на аналитических
весах. Толщину слоя определяли
перерасчетом приращения массы на
приращение толщины слоя. Экспериментальные
данные и результаты последующей
обработки заносили в таблицы. Пример
для одного образца (напыление проволокой
Св08А) показан в табл. 1.
от толщины наносимого слоя с применением
воздушно-распыляющего пульсирующего
потока
of the sample deflection on the thickness
of applied layer using an air-spraying pulsating flow
fi,
аi,
Gj,
в покрытиях необходимо знать значение
производной
.
.(24)
(25)
.
и скорости перемещения
металлизатора Vн = 26,4 мм/с для
материалов на следующих режимах горения
дуги: Св–08А, диаметр
2,0 мм (Iсв
= 150 А, Uд
= 28 В, частота
пульсаций 65–75 Гц)
Св–08А,
diameter 2.0 mm ((Iсв
=
150 А,
Uд
=
28 V, ripple frequency 65–75 Hz)
для покрытия, нанесенного
проволокой Св–08А диаметром 2,0 мм (Iсв
= 150 А, Uд = 28 В,
частота
пульсаций 65–75 Гц)
of the
applied coating Vн
= 26.4 mm/s for the coating applied
with wire Св–08А
with a diameter of 2.0 mm (Iсв
= 150 A, Uд
= 28 V, ripple frequency 65–75 Hz)
значимость
C. 181–188.
DOI: 10.21122/2227-1031-2017-16-3-181-188
Приазовський
державний технічний університет, вул.
Університетська, 7,
Маріуполь, Україна,
87500, тел. +38 (067) 958 20 17, ел. пошта zsv-73@i.ua,
ORCID 0000-0002-8536-6313
2*Каф.
«Автоматизація та механізація
зварювального виробництва»,
Приазовський
державний технічний університет, вул.
Університетська, 7,
Маріуполь, Україна,
87500, тел. +38 (067) 845 25 39,
ел. пошта
zakharovaiv75@gmail.com, ORCID 0000-0002-3492-0134
ОТРИМАНИХ МЕТОДОМ ДУГОВОЇ МЕТАЛІЗАЦІЇ
З ПУЛЬСУЮЧИМ
РОЗПИЛЮВАЛЬНИМ ПОТОКОМ
State Higher
Educational Institution, Priazovskiy State
Technical University,
Universitetska
St., 7, Mariupol, Ukraine, 87500, tel. +38
(067) 958 20 17,
e-mail zsv-73@i.ua,
ORCID 0000-0002-8536-6313
2*Dep.
«Automation and Mechanization of Welding Production»,
State Higher
Educational Institution, Priazovskiy State
Technical University,
Universitetska
St.., 7, Mariupol, Ukraine, 87500, tel.
+38 (067) 845 25 39,
e-mail zakharovaiv75@gmail.com,
ORCID 0000-0002-3492-0134
OBTAINED BY THE METHOD OF ARC
METALLIZATION
WITH A PULSATING SPRAYING FLOW
© А.
Н.
Серенко,
И.
В.
Захарова,
2020
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
ІSSN 2307–6666 (Online)