Совершенствование модели обеспечения качества изделий, получаемых с использованием специальных процессов, на примере покрытий, нанесенных плазменным напылением

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель и
задачи исследования, определен объект и предмет исследования, указана научная новизна положений, выдвигаемых на защиту, а также практическая ценность и достоверность полученных результатов.
В первом разделе проведен анализ теоретических подходов к обеспечению качества изделий, получаемых с использованием специальных технологических процессов. Установлено, что повышение качества данных изделий обеспечивается только конструктивными и технологическими исследованиям, в то время как планирование качества с применениями инструментов системы менеджмента качества остается без внимания. Установлено отсутствие информация о том, какие отказы, несоответствия и риски, возникают при проектировании конструкции изделий и самого специального технологического процесса, также отсутствует описание последствий и причин возникновения данных отказов и действий, необходимых для их уменьшения.
Разработана функциональная модель обеспечения качества изделий, получаемых с использованием специальных технологических процессов (рисунок 1). Представленная функциональная модель обеспечения качества основана на анализе видов и последствий потенциальных отказов (FMEA) на этапе конструкторско-технологической подготовки производства. Отличительной особенностью разработанной функциональной модели является комплексный подход к обеспечению качества, включающий конструктивные, математические и технологические методы управления качеством, а также методы системы менеджмента качества.
В диссертационном исследовании разработанная функциональная модель изделий, получаемых с использованием специальных технологических процессов, рассмотрена на примере теплозащитных покрытий нанесенных плазменным методом.
Реализация разработанной функциональной модели обеспечения качества для теплозащитных покрытий с определения основных требований, предъявляемых к теплозащитным покрытиям. Анализ литературных данных позволил классифицировать критерии качества теплозащитных покрытий нанесенных методом плазменного напыления (рисунок 2).
Рисунок 1 – Функциональная модель обеспечения качества изделий, получаемых с использованием специальных технологических процессов
Рисунок 2 – Критерии качества теплозащитных покрытий нанесенных методом плазменного напыления
Во втором разделе представлена методика повышения качества теплозащитных покрытий, разработанная на основе типовой модели анализа видов и последствий потенциальных несоответствий конструкции (DFMEA), учитывающая моделирование конструкции теплозащитного покрытия. Проведен структурный, функциональный анализ и анализ отказов конструкции теплозащитного покрытия (рисунок 3).
Для каждого отказа определены потенциальные причины их возникновения и последствия возникновения.
Рисунок 3 – Дерево отказов рассматриваемого элемента 8

Проведена оценка отказов и установлен приоритет действий для устранения рисков возникновения отказов (H(high), M(medium), L(low)). Установленные приоритеты действий позволили разработать мероприятия направленные на предупреждение причин возникновения отказов в конструкции теплозащитных покрытий. Полученные результаты занесены в бланк протокола DFMEA-анализа.
В результате реализации мероприятий проведено исследование влияния гранулометрического состава порошка на качество покрытия с использованием методики исследования движения частиц в плазменной струе методом скоростной видеосъёмки. Выявлено, что скорости частиц при их полете в плазменном потоке меняются по сечению и составляют от 90 до 150 м/с. Погрешность измерения составляет около 4%. Это подтверждает наличие сепарации частиц в плазменной струе в зависимости от их размера. Следовательно, частицы в плазменном потоке имеют различные траектории движения, различное время находятся в высокотемпературной части плазменной струи, и под действием конвективного теплообмена и теплообмена излучением нагреваются до различных температур. В результате частицы порошкового материала при формировании покрытия имеют различную степень проплавленности и деформации.
Для анализа степени проплавленности частиц напыляемого порошкового материала проведено моделирование нагрева и плавления напыляемого порошкового материала в плазменной струе с использованием программного обеспечения ANSYS. В результате моделирования получены зависимости температуры напыляемой частицы от времени её нахождения в
1 – поверхность частицы; 2 – слой частицы, находящийся между поверхностью и ее центром; 3 – ядро частицы Рисунок 4 – Зависимость температуры частицы порошка ZrO2 + 8Y2O3 диаметром 60 мкм от времени её нахождения в плазменном потоке
плазменном (рисунок 4).
потоке
Анализ полученных зависимостей позволил установить объёмную степень проплавленности частиц, что невозможно определить аналитическими методами.
Установлено, что частицы диаметром 10 мкм полностью достигают температуры испарения, частицы 20 мкм полностью расплавляются; частицы от 40 до 60 мкм расплавляются на глубину от 40 до 60%, при этом их сердцевина остается в твердой фазе, а частицы диаметром 80 мкм проплавляются на глубину всего от 20 до 27%, оставаясь в большей степени не расплавленными частицами.
На основе полученных результатов, смоделировано покрытие, нанесенное порошковым материалом, с учетом наличия двух фаз (закристаллизовавшейся после охлаждения и не проплавленной (рисунок 5).
Рисунок 5 – Модель напряженно-деформированного состояния покрытия
Для оценки напряжений в зависимости от размера частиц введен параметр k, равный отношению диаметра частицы к её высоте:
k = Dh k k
Моделирование нагружения образца с покрытием позволило получить зависимость максимальных напряжений в образце от параметра k (рисунок 6). Наилучшим образом нагрузке противостоит покрытие с параметром k в диапазоне от 4,3 до 5,3, при прочих const.
Рисунок 6 – Зависимость максимальных напряжений в образце от параметра k
600
400
200
k
0 2 4 6 8 10
Результаты моделирования нагрева и плавления частиц подтверждены экспериментальным исследованием степени проплавления частиц методом напыления в воду. Экспериметальные исследования структурной упорядоченности напыленных покрытий проводились на поперечных металлографических шлифах покрытий с использованием программы Image Expert Pro 3.0 Professional для обработки оптических изображений. Уровень относительной сходимости не менее 5%.
Установлено, что для получения покрытия заданной конструкции необходимо определить основные критерии качества технологического процесса нанесения покрытий, провести исследование их влияния на критерии качества самого покрытия и сформулировать требования к способу их нанесения.
В третьем разделе проведена оценка критериев качества технологического процесса нанесения покрытия. Используя принцип расслоения статистических данных, по методологии 6М, для определения критериев качества технологического процесса, построена причинно-следственная диаграмма (рисунок 7).
Рисунок 7 – Причинно-следственная диаграмма
Напряжения, МПа

Для определения взаимосвязей между полученными критериями качества процесса и выявления наиболее важных из них, использовались инструменты операционного анализа, позволяющие управлять качеством процесса напыления. Диаграмма связей (рисунок 8) показала наличие сложных взаимосвязей между критериями, влияющими на процесс нанесения покрытия.
Рисунок 8 – Диаграмма связей критериев процесса нанесения покрытия на критерии качества покрытия
Сила влияния критериев процесса на критерии качества самого покрытия, учитывающие требования потребителя определялась на основе методики развертывания функции качества (рисунок 9).
Рисунок 9 – Матричная диаграмма 11

Проведенная оценка позволила выявить критерии процесса напыления в наибольшей степени, влияющие на качество полученного покрытия и в соответствии с полученным результатом разработать способ нанесения теплозащитных покрытий. На разработанный способ получен патент No 2359065. На основе данного способа разработана цифровая модель технологического процесса нанесения теплозащитных покрытий, учитывающая эффект сепарации частиц в плазменной струе и оптимальное соотношение сторон расплавленных частиц, для получения покрытий максимальной прочности. Цифровая модель представлена в виде программно-расчетного комплекса, в котором, используя входные параметры, производится автоматическое определение необходимых режимов нанесения покрытия (рисунок 10).
Рисунок 10 – Пример рабочего окна программно-расчетного комплекса
В четвертом разделе представлена оценка рисков, возникающих в процессе нанесения покрытий, проведен анализ видов и последствий потенциальных несоответствий процесса нанесения покрытия на основе методологии PFMEA. Определены структурные элементы процесса напыления и установлены их основные функции. Выявлены возможные отказы структурных элементов, определены их последствия и потенциальные причины возникновения (рисунок 11).
Оценка возможности возникновения, обнаружения и предупреждения причин отказов позволила сформулировать основные мероприятия, направленные на повышение качества процесса нанесения теплозащитных покрытий методом плазменного газотермического напыления. В качестве действий по предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов рекомендовано составление документированных элементов процесса напыления.
Разработан план управления процессом нанесения теплозащитных покрытий, методом плазменного напыления; составлены стандартные операционные процедуры для операций процесса; определена матрица компетенций сотрудников плазменного участка; разработан стандарт организации, описывающий основные требования к напыляемой детали, материалам для напыления, оборудованию, технологическому процессу напыления, контролю, полученного покрытия, а также требования безопасности при работе на плазменном участке.
Рисунок 11 – Фрагмент дерева отказов процесса нанесения покрытия

Рассчитан показатель экономической эффективности внедрения результатов исследования. Годовая экономическая эффективность составила 1,4.
В заключении изложены основные результаты и выводы исследования, подтверждающие положения, выносимые на защиту, определены перспективы дальнейшего
изучения проблемы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
В результате проведённого исследования решена важная научная задача в области повышения качества изделий, получаемых с использованием специальных технологических процессов, и достигнута цель диссертационного исследования на примере повышения качества теплозащитных покрытий, нанесенных методом плазменного напыления на детали газотурбинных двигателей:
1 Проведен теоретический анализ существующих подходов к обеспечению качества изделий, получаемых с использованием специальных технологических процессов. Анализ показал, что при разработке моделей обеспечения качества должны учитываться не только методы системы менеджмента качества, но и методы конструирования, проектирования, моделирования, как конструкции выпускаемого изделия, так и технологического процесса его изготовления.
2 Разработана функциональная модель обеспечения качества изделий, получаемых с использованием специальных технологических процессов на основе анализа видов и последствий потенциальных отказов (FMEA). Реализация разработанной модели обеспечения качества на примере покрытий, нанесенных плазменным методом позволила увеличить количество соответствующих изделий с 84% до 96%; снизить трудоемкость нанесения теплозащитных покрытий на 34% за счет разработки документированных элементов процесса производства; а также снизить расходы на материалы на 26%. Кроме того, методика FMEA впервые применена для оценки рисков теплозащитных покрытий и технологического процесса их нанесения.
3 Разработана классификация критериев качества теплозащитных покрытий, нанесенных методом плазменного напыления, позволяющая снизить трудоемкость разработки технологических процессов на 9%.
4 Разработана методика повышения качества теплозащитных покрытий, нанесенных плазменным напылением, основанная на применении анализа видов и последствий потенциальных отказов конструкции (DFMEA), позволяющая повысить качество конструкции теплозащитного покрытия на (15-20) %, за счет разработки и внедрения способа формирования плазменных покрытий. А также позволила сократить расходы на материалы на 14% .
5 Разработана цифровая модель технологического процесса нанесения теплозащитных покрытий на основе способа формирования плазменных покрытий, позволяющая снизить трудоемкость определения необходимых параметров технологического процесса на 20%.
6 Проведена комплексная апробация предложенных решений, что подтверждено актами внедрений. Предложенная функциональная модель обеспечения качества теплозащитного покрытия внедрена в учебный процесс Самарского университета. Предложенная на основе теоретических разработок цифровая модель расчета параметров процесса напыления внедрена в НУ «ИНПЦ «ТЕХНОЛОГИЯ «СГАУ». Коэффициент годовой экономической эффективности составил 1,4.