РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Абачараев М.М.¹, Абачараев И.М.²

¹ Доктор технических наук, профессор. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики им.Х.И.Амирханова Дагестанского научного центра Российской Академии наук, заведующий отделом физико-технических проблем машиноведения.

² Доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник того же отдела.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Аннотация

В статье приводятся основные результаты исследований авторов по нанесению на детали судовых вспомогательных дизелей изностойких и кавитационностойких плазменных покрытий собственных разработок. Даны также обоснование и практические разработки по нанесению противообрастающих плазменных покрытий на погруженные части судов. Показано, что практическое применение таких покрытий позволяет  в 2-3 раза снизить докование судов для очистки от продуктов коррозии и обрастания. Это резко увеличивает экономическую эффективность судоэксплуатации.

Ключевые слова: коррозия, кавитационная эрозия, защитные покрытия,  плазменное покрытие, изностойкость, обрастание.

Abacharaev M.M.¹ , Abacharaev I.M.²

¹Doctor of technical Sciences, Professor. P.P.Shirshov Institute of physics  im.Х.I. Amirkhanova of the Daghestan scientific centre of the Russian Academy of Sciences, head of the Department of physical and technical problems of mechanical engineering.

²Doctor of technical Sciences, Professor, leading researcher in the same Department.

DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY OF PLASMA SPRAYING OF PROTECTIVE COATINGS, MULTIPURPOSE

Abstract

The article presents the main results of researches concerning application of parts of ship's auxiliary engines abrasion persistent and cavitation-resistant plasma coatings own developments. The article also describes the rationale and practical developments for deposition of anti-fouling plasma coatings on the deepest parts of the courts. It is shown that the application of such coatings allows 2-3 times reduce the docking of vessels for purification of products of corrosion and fouling. This dramatically increases the economic efficiency of shipbuilding operation.

Keywords: corrosion, cavitation erosion, protective coatings, details of machines and mechanisms, plasma coating, endurance, fouling.

Широкое промышленное применение имеют технологии изготовления высоконагруженных деталей машин и механизмов из специальных легированных сталей, которые в 2-3 раза дороже распространенных углеродистых сталей.

Опыт показывает, что ценные свойства легированных сталей используются по назначению в деталях, подверженных коррозии, кавитации, износу, лишь в поверхностных слоях, составляющих 5-10% от объема объекта.

Поэтому исследователи считают экономически целесообразным заложить требуемые эксплуатационные свойства деталей в их поверхностных рабочих зонах, а остальной объем объекта создать на основе дешевой углеродистой стали. Для решения этих задач широко используются технологии получения защитных покрытий методами химико-термической обработки, нанесением гальванических, газотермических, плазменных,  детонационных и др. покрытий.

Нами проведенные подробные исследования по нанесению плазменных покрытий многофункционального назначения, основные результаты которых излагаются в данной статье.

Проведены обширные лабораторные и натурные исследования по восстановлению шеек коленчатых валов быстроходных судовых дизелей 4Ч8,5/11 и 4Ч9,5/11 нанесением изностойких плазменных покрытий системы   Ti-Ni-Al. Металлографические исследования показали, что в структуре этих покрытий преобладают деформационно упрочняющиеся интерметаллизы NiTi, Ni₂Ti, TiAl, обладающие высокой изностойкостью. Лабораторными испытаниями на износ при сухом трении скольжения опытных образцов с плазменным покрытием состава 25% Ni+10%Al+65%Ti (процент по массе) толщиной 1,3…1,5мм и стендовыми испытаниями на дизелях установлено, что нанесением таких покрытий на шейки коленчатых валов рассматриваемых дизелей можно увеличить вдове срок их безремонтной эксплуатации. Это резко снижет ремонтные расходы и объем запасных деталей, что дает высокий экономический эффект.

Нами разработаны технологии подготовки коленчатых валов к напылению с оптимальным составом покрытия и режимами технологии его создания, которые переданы заводу изготовителю (ОАО «Завод Дагдизель») для внедрения.

Были продолжены исследования по разработке кавитационностойких плазменных покрытий системы Ti-Al для гребных винтов скоростных судов с целью защиты их от кавитационной эрозии.

Ранее установлено /1,2/, что созданием на поверхности деталей судовых дизелей, гидроагрегатов, подверженных кавитационной эрозии, покрытий с положительным электрохимическим потенциалом, высокой склонностью к деформационному упрочнению, можно значительно увеличить их кавитационную стойкость. Этим требованием вполне отвечают покрытия системы Ti-Al оптимального состава.

Были исследованы на кавитационную стойкость образцы с покрытием этой системы (табл.1), которые показали, что покрытия состава 65%Ti+35%Al соответствуют по кавитационной стойкости нержавеющей стали 12Х18Н10Т.

Таблица 1- Кавитационная стойкости плазменных покрытий системы Ti-Al

№	Состав покрытия, % по массе	Толщина слоя, мм	Потери массы за 2ч. испытания*[1])
1	Сталь 40Л		56,6
2	Сталь 12Х18Н10Т		18,3
3	80Ti+20Al	0,8-1,0	42,2
4	70Ti+30Al	0,8-1,0	38,6
5	65Ti+35Al	0,8-1,0	18,1
6	60Ti+40Al	0,8-1,0	34,3

Полученные результаты испытаний позволяют предложить замену дорогостоящей нержавеющей стали для отливки судовых гребных винтов на дешевую углеродистую сталь 40Л с последующим нанесением на поверхность гребных винтов кавитационно стойкого плазменного покрытия системы Ti-Al. Эксплатационные испытания скоростных судов системы «Экраноплан» в Каспийском море подтвердили наши выводы.

Широкие возможности нанесения плазменных покрытий многоцелевого назначения использованы нами и для решения весьма актуальной проблемы судовладельцев – борьбы с обрастанием погруженных частей судов.

Эта проблема очень актуальна не только для судов обычного класса, но и для судов на подводных крыльях, обрастание крыльев и крыльевого аппарата которых наносит судовладельцам весьма ощутимые потери. Например, после 10-15 суток простоя в Черном море крыльевый аппарат СПК настолько сильно обрастает, что суда полностью теряют ходовые качества и их приходится доковать для очистки от обрастателей /3/.

Нами проведены обширные исследования по созданию плазменных покрытий с противообрастающими свойствами. При выборе составов противообрастающих покрытий изучена возможность решения этой задачи вводом в состав среды бактерицидных элементов Cu, Be, Sb, Cd.

Для установления электрохимической природы исследованных систем покрытий проведено коррозионное испытание опытных образцов в растворе 3%NaCl в воде (табл.2).

Результаты измерений свидетельствуют, что покрытия имеют меньший электродный потенциал в морской воде по сравнению с подложкой (АМг61).

Это практически важный момент, так как плазменные покрытия пористые, доступные для растворителя (морской воды) и играя роль анода, они защищают от коррозии катодную подложку (облицовку крыльев и крыльевого аппарата СПК), т.е. являются протектором по отношению к подложке.

Таблица 2 - Значение электродных потенциалов плазменных покрытий в 3% растворе NaCl в воде

№	Система покрытия	Электродный потенциал (МВ) за время испытаний, час
		2	4	8	24
1	Cu-Be	700	730	740	730
2	Cu-Be-Sb	760	760	765	770
3	ПХ80Н20	500	670	670	740
4	АМг61	700	740	790	920

Ускоренные лабораторные испытания газотермических покрытий на противообрастающую способность проводили глинциновым методом, основанном на определении скорости выщелачивания меди при погружении опытных пластин (50х100), напыленных со всех сторон, в глинциновый раствор. Пластины выдерживали 72ч. (что соответствует году натуральны испытаний /4/) в емкости 250мл с этим раствором. По калометрическому анализу определяли количество выщелоченной меди, что позволило рассчитать скорость выщелачивания (табл.3).

Таблица 3- Противообрастающая способность исследованных покрытий

№	Состав покрытия, % по массе	Толщина слоя, мм	Скорость выщелачивания мкг/(см2 сут.)
1	80Cr-Ni+20Cu	0,6	14,34
2	75Cr-Ni+15Cu+10Sb	0,6	12,8
3	20Cu+80NiTi	0,8	18,15
4	30Cu+70NiTi	0,8	22,80
5	70NiTi+18Cu+6Be+6Cd	0,8	25,25
6	75NiTi+22Cu+3Cd	0,8	18,37

Для определения  противообрастающей способности изученных плазменных покрытий в натуральных условиях были проведены дополнительные стендовые испытания напыленных пластин (200х350) толщиной 2,0мм из стали 08кп при погружении их в Каспийское море в течение 45 суток.

Как показали испытания весьма стойкими против обрастания являются нитиноловые  покрытия с добавками 18%Cu, 6%Cd и 6%Be, пластины которых имели всего 2-3% площади обрастания. Эти покрытия можно предложить в качестве эффективного средства для защиты корпусов плавсредств от обрастания.

[1] *) Кавитационные испытания проводили на магнитострикционной установке, по методике, изложенной в источнике [1].