автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Исследования и расчеты агрегатного и динамического состояния частиц порошков, формирующих покрытие при плазменном напылении

РГ6 од

2 9 МАЙ 1395

РОССИЙСКАЯ'АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ игл. А.А.БАЙКОВА

На правах рукописи

РУБЦОВ Борис Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАСЧЕТЫ АГРЕГАТНОГО И ДИНАШЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЧАСТИЦ ПОРОШКОВ, ФОРМИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЕ ПРИ ПЛАЗМЕННОМ НАПЫЛЕНИИ.

Специальность 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации ка соискание ученой степени кандидата технических наук

¡1ЮСКВА-1Э35

Работа выполнила в Институте Металлургии гал. а.а.Майкова РАН Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кудинов В.: Официальные оппоненты: доктор технически/, наук

Панфилов С.А. кандидат технических наук, доцент Вахалин В.А. Ведущая организация: ВНКПАвтогенмаш

Защита диссертации состоится "22 " июня__Т99Г>г. в ч;

на заседании специализированного Ученого Совета Д003Л5.03 в Пнстит; Металлургии им. А.А.Байкова РАН.

Адрес: 117911,'Москва, Ленинский проспект, 49. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института.

Автореферат разослан "22 " мая_ 1995г.

Ученый секретарь специализированного Совета доктор технических наук --

Блинов В

лктуальность_работы. В настоящее время все в большей степени проявляется тенденция к созданию путем плазменного напыления материалов и покрытий с заранее заданными структурой и свойствами. Для ряда плаз-мешюнапыляемых материалов, таких как тугоплавкие металлы, оксиды, высокотемпературные сверхпроводники, решение указанной задачи наталкивается на существенные трудности. Это связано с тем, что в плазменных напылителькых потоках существуют значительные градиенты температуры, энтальпии, скорости и концентрации как для газовой, так и для дисперсной фазы. Неоднородность состояния частиц дисперсной фазы в потоке в свою очередь приводит к Структурным неоднородностям формируемого материала и, соответственно, к ухудшению свойств образующегося покрытия. Устранение или понижение уровня структурных неоднородностей в плазмен-ионзпыленном материале представляет собой сложную комплексную задачу, которая может С- хь решена путем специального конструирования плазмотронов и подбора'параметров режима напыления.

Для научно обоснованного выбора режимов и конструкций плазмотронов в последние годы все' в большей степени начинает применяться методология проведения комплексных экспериментов в газотермическом (плазменном^ напылений, которая предполагает проведение взаимосвязанных исследований по всей иепи технологического процесса - от свойств исходного материала до структуры и свойств напыленного покрытия. Подобные исследования могут выполняться в настоящее время только с сочетанием физического «жспермыента и вычислительных исследований.

Поэтому очевидно, что дальнейшее развитие такой прогрессивной технологии, как технология плазменного напыления связано с созданием автоматизированных математически обеспеченных процессов, позволяющих гибко регулировать структуру и свойства формируемых материалов и покрытий. Решение этой задачи в будущем неразрывно связано с созданием физико-математических моделей, не только обеспечивающих описание поведения дисперсной фазы в потоке, но также дающих возможность через определение состояния частиц напыляемого материала объяснить образование тех или иных структурных элементов в формируемом слое покрытия. Следует также отметить, что существует взаимосвязь между структурой получаемого покрытия и его пористостью, плотностью, адгезионными и другими свойствами.

Несмотря на то, что за прошедшие более чем 30 лет существования плазменного напыления и плазменной обработки дисперсных материалов было выполнено множество работ, посвященных физико-математическому моделированию этих процессов для различных условий и различного конструк-

тивного оформления, можно констатировать, что до настоящего времен! эти исследования находились на достаточном отдалении от задачи изучения топографии и внутренней структуры покрытий. Остается до конца н< решенной и проблема проведения вычислительных исследований, посвященных определению агрегатного состояния частиц напыляемого материала, Зто связано со сложностью объекта исследования и крайне недостаточныг уровнем исследований в области диагностики потоков с частицами напыляемого материала. Необходимо отметить, что практически отсутствует программное обеспечение, позволяющее определить состояние частиц дисперсной фазы к моменту попадания их на напыляемую основу во взаимосвязи сс всей предысторией обработки исходного материала в потоке.

У§ль_работн состояла в том, чтобы используя результаты, достигнутые в области физико-математического моделирования потоков газа и поведения частиц напыляемого материала в потоке, создать математическо( и программное обеспечение, провести вычислительные исследования агрегатного и динамического состояния частиц, начиная от момента их инжек-ции в плазму до соприкосновения с поверхностью основы или покрытия, I объяснить образование различных структурных элементов в напыленном материале и типы структур формирующихся покрытий.

В работе решались следующие задачи:

1. Разработать алгоритмы и программы расчетов теплофизических параметров несущего потока газа (плазмы) для характерных пространственных областей процесса напыления, таких как область внутри сопла плазмотрона, область течения за срезом сопла и зона натекания потока не напыляемую основу.

2. Разработать алгоритмы и программы расчетов движения и нагревг (остывания) частицы напыляемого материала в заданном поле параметра несущего потока для случаев безградиентной и градиентной моделей нагрева (остывания).

3. Выполнить вычислительное исследование поведения частиц напыляемого материала в потоке при использовании различных моделей течения в области сопла плазмотрона.

4. Провести численное исследование поведения напыляемых частиц в зоне натекания потока на основу.

5. Для множества частиц разного размера, различных условий инжек-иии, ряда материалов и структур потоков провести вычислительные исследования и сравнение поведения одиночных частиц при плазменном напылении в нормальной атмосфере (ПНА) в условиях градиентной и безградиентной моделей нагрева (остывания).

6. Провести вычислительные исследования влагая на результаты ра-

счетов параметров частиц напыляемого материала учета зависимости теплопроводности несущего потока газа, теплопроводности и теплоемкости материала частиц от температуры, учита рекомендуемых в литературе поправок в критериальном выражении для числа Нуссельта, а также разброса в справочных данных по теплофизичьским параметрам материала частиц.

7. Пронести численное исследование поведения ансамбля частиц реальной фракции порошка для известных условий напыления (расход газов, порожка, мощность плазмотрона и т. п.) с учетом различия в начальных скоростях частиц и координатах ввода в выходном сечении инжектора и с учетом процентного содержания частиц различных диаметров.

8. Выполнить сравнительный анализ результатов вычислительного исследования состояния частиц дисперсной фазы А120,, в дозвуковом турбулентном плазменном потоке при Ш1А и экспериментального исследования частиц, уловленных на гладкую плоскую основу, топографии и размера пятна напыления, коэффициента использования материала (КИМа).

9. Провести сравнение результатов экспериментов по статистике распределения частиц дисперсной фазы при формировании первого монослоя покрытия с результатами вычислительного исследования.

0§Хчная_новизна_работыг. Создано математическое и программное обеспечение, относящееся к процессу плазменного напыления, состоящее из ряда алгоритмов и программ, описывающих характерные пространственные участки ноток», используемого при напылении, а таюйе движение и нагрев (остывание) частиц напыляемого материала в заданном поле параметров несущего потока для случаев градиентной и безградиентной моделей нагрева (остывания). Оно отличается тем, что может быть использовано для расчетов, охватывающих всю струйную систему процесса напыления - от разгона частиц в порошковой проводе до их соударения с поверхностью формируемого покрытия. Б рамках этого обеспечения разработана программа, позволяющая с: использованием градиентной модели нагрева (остывания) определять численные характеристики движения и агрегатного состояния частицы и предусматривающая 18 возможных последовательностей изменения ее агрегатного состояния с учетом того, что частица может находиться в 16 состояниях с разным сочетанием твердой и жидкой частей.

Впервые смоделировано ускорение ансамбля частиц порошка на участке от порогового питателя до устья инжектора с учетом их гранулометрического состава и обратного влияния на транспортирующий газ.

Впервые проведены вычислительные исследования агрегатного состояния ансамбля частиц от начала их движения в порошковом питателе до соприкосновения с. основой с расчетом скоростей, приобретаемых юли к моменту шисекшш; с учетом их различных координат инжекции и грануломет-

рического состава. Результаты этих исследований позволили объяснит морфологию частиц напыляемого материала, уловленных в результате оке перимента на гладкую плоскую основу, экспериментальные данные по топо графии и размеру пятна напыления, по величине КИМа, а также результат исследований структуры формируемых покрытий и некоторых их свойств таких как пористость, плотность, размер пор на различных дистанция напыления и в различных областях пятна напыления.

Практотеская_ценность_2абдты. Разработанное математическое и про граммное обеспечение является действенным средством для априорной оце нки агрегатного состояния частиц напыляемых материалов в реальных пла зменных потоках, а также структуры сформированного покрытия и его сво йств. Оно дает возможность получения подробной численной информации о агрегатном состоянии напыляемых частиц известного гранулойетрическог состава в любом месте напылительного потока с учетом процентного соде ржания частиц различных размеров, а также прогнозирования на основ этой информации типа возможной структуры формируемого покрытия и ег характеристик для заданных материалов и различных дистанций напыления Это обеспечение позволяет проводить совместные физические и вычислите •льные исследования для реальных напылительных потоков и известных тех нологических условий нанесения покрытий. На основе таких исследован! создается новая аппаратура для нанесения покрытий и совершенствуете технология. В результате появляется возможность получения покрытий вы сокого качества с однородной структурой, а в перспективе получения по крытий с заранее заданными структурой и свойствами.

- математическое и программное обеспечение для расчета теплофизически параметров несущего потока, агрегатного состояния и скорости части напыляемого материала при плазменном напылении;

- результаты вычислительных исследований:

а) поведения частиц напыляемого материала в зоне натеканкя потока на основу;

б) поведения одиночных частиц напыляемого материала для градиентной безградиентной моделей нагрева (остывания) в режиме ПНА;

в) расчетных параметров частиц напыляемого материала для различных ва риантов счета: с учетом и без учета зависимости от температуры теплопроводности несущего потока газа, теплопроводности и теплоемкости материала частиц, рекомендуемых в литературе поправите в критериальном выражении для числа Нуссельта, разброса в справочных данных по тепло-физическим свойствам материала частиц;

г) поведения ансамбля частиц реальной фракции порошка в дозвуковом ту

рбулентном плазменном потоке при Ш1А для известных условий напыления (расход газов, порошка, мощность плазмотрона и т. п.) с учетом различия в начальныл скоростях частиц и координатах ввода в устье инжектора и с учетом процентного содержания частиц разных размеров.

Реашзацуя_1зез]£льтатов_2аботы. Разработанное программное обеспечение, предназначенное первоначально для эксплуатации на ЭВМ типа ЕС и реализованное на ЭВМ EC-I022, ЕС-ЮЗЗ в ЖГУ им. Н.З.Баумана и на ЭВМ EC-I060, EC-I06I в ВЦ РАН, было адаптировано и опробовано на персональных компьютерах типа IB",! PC AT б ИЫБТ им. А.А.Вайкова РАН.

Ацробауия_паботы. Материалы работы докладывались на конференции молодых ученых и специалистов ИГ.1ЕТ ш. А.А.Вайкова РАН , Москва, IS87r., Международной конференции "Плазменные струи в разработке технологии новых гч^-ииалов", Фрунзе, 19Э0г., 1-м Европейском конгрессе по термически,; «именным процессам и поведению материалов при высоких температурах, Одейо, Франция, 1ЭЭ0г.

Публикации. По результатам работы опубликовано 5 печатных работ.

Стр7ктупа_и_дбъеи_работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка использованной литературы, приложений, изложена ни 150 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 6 таблиц, библиографию из 22Э наименований.

Основное_поаер;кание_рабдты.

Во_вве,лени1_: излагается обоснование актуальности темы диссертационной рабоак, раскрывается ее научная новизна и практическая ценность, формулируются цель и задачи работы.

Ойрвая.глава посвящена краткому обзору современного состояния исследований поведения частиц напыляемого материала в потоках плазмы. Изложено состояние вопроса по моделированию плазменных потоков, используемых при напылении. Отмечено, что существует два основных подхода к описанию потоков нагретого газа'с частицами - эйлеров (двухжидкост-ная модель) и лягранжев (метод траекторий). Обосновывается применение для достижения поставленной в работе цели метода траекторий. Поскольку при использовании этого метода процесс математического моделирования напылителъкого потока условно разделяется на две части: расчет параметров несущего потока плазмы и расчет движения и теплообмена в этом потоке- частиц напыляемого материала, приводится характеристика струй плазмы,' используемых для напыления, некоторые типы их классификаций.

Среди методов расчета плазменных струй выделены метод интегральных соотношений, метод теории пути перемешивания и метод эквивалентной задачи теории теплопроводности. В большинстве известных работ, относящихся к плаылыкпцу напылению и посвященных математическому мадалиро-

ванию, основное внимание уделяется расчету струй в области свободного течения за срезом сопла плазмотрона. Но это лишь одна из характерных областей потоков, используемых при напылении. Рассмотрение только ее может быть достаточным в случае ввода порошка за срезом сопла.

Недостаточно разработана в литературе тема расчета зоны смешения транспортирующего газа с плазмообразующим. Это объясняется технически ми трудностями проведения диагностических исследований в этой области

Часть литературного обзора посвящена исследованиям поведения в потоке плазмы частиц напыляемого материала. Существует множество работ, в которых приводится обобщение расчетных формул для вычисления коэффициента аэродинамического сопротивления сй в зависимости от услс вий обтекания частицы несущим потоком. Хорошо и давно известен аппарг расчета изменения температуры сферической частицы в процессе ее движе ния в потоке. Однако предположение о мгновенности распространения тем пературы внутри частицы не всегда справедливо.

Существуют работы, учитывающие градиентное распределение темпере туры внутри частицы, однако авторы не приводят расчетные схемы и к акцентируют внимание на особенностях и сложностях расчета.

Сравнительно недавно появились экспериментальные работы, исследу ющие морфологию и внутреннюю структуру частиц напыляемого материала, частности, путем улавливания их на плоскую основу, расположенную пех пендикулярно к потоку на различных расстояниях от среза сопла, а таю исследующие типы структурных элементов, образующихся в 1-м монослс покрытия и типы структур формирующихся покрытий, однако полученные дг иные не подкреплены результатами численных исследований.

Таким образом, достижения предшествующих исследователей в облает математического моделирования потоков газа, наряду с экспериментальна ми исследованиями отдельных частиц, структурных элементов и свойст формируемых покрытий, позволили на современном этапе подойти к практа ческой реализации вычислительных исследований, охватывающих всю струх ную систему от начала движения частиц напыляемого материала в порошке вом проводе до их попадания на основу. До настоящего времени такая рг бота хотя бы для одного конкретного примера не реализовывалась.

Во__второй__главе описаны применявшиеся в 1 работе физике

математические модели несущего потока газа (плазмы), относящиеся к 01 дельным характерным его участкам. Наиболее крупно эти участки мож подразделить на область внутри сопла плазмотрона, область свободно: течения за срезом сопла и зону натекания потока на напыляемую осног (рис.1). Кроме этого, описаны модели движения частиц пороша, градие! тного и безградиентного нагрева (остывания) частиц ь-несущем потоке.

! I I I I I

Вычислительные исследования по определению состояния частиц в различных точках потока и в момент соударения с основой

Внедрение программного обеспечения в МЕТ РАН и других организациях

Рис Л. Структурная схема работы.

В работе использовались следующие методологические принципы моделирования плазменного потока:

1) несущий поток условно разделялся на ряд пространственных областей, имеющих свои характерные особенности, для каждой из которых использовалась отдельная модель течения, после чего рассчитанные поля параметров потока объединялись в единое расчетное поле, в котором рассматривалось поведение частиц напыляемого материала;

2) при построении моделей течения на отдельных пространственных участках использовался принцип постепенного их усложнения с целью получения ориентировочных результатов и учета в дальнейшем тех или иных физико-химических явлений, которые могут иметь мгзсто в соответствующих

Физический эксперимент по определению состояния частиц в потоке и на основе

областях, и с целью оценки необходимости этого учета на основе получаемых результатов.

Кроме этого, при алгоритмизации и программировании использовались следующие принципы: , *

3) решение уравнений движения и теплообмена частицы напыляемого материала на достаточно малых пространственных интервалах, на которых допускается линеаризация этих уравнений;

4) использование для линеаризации уравнений движения и теплообмена - параметров потока, задаваемых б узлах координатной сетки на всем его протяжении.

Б результате с момента инжекции частицы в плазменный поток она попадала в сетку предварительно рассчитанных или заданных по экспериментальным данным параметров этого потока и на протяжении всего ее последующего движения вплоть до момента соприкосновения с напыляемой основой программа отслеживала, в какой ячейке сетки она находится в данный момент, и при переходе к новой ячейке изменяла коэффициенты уравнений в соответствии с изменением параметров несущего потока.

На схеме (рис.2.) изображены программные модули, разработанные для различных участков потока. На этапе разработки физико-математического и программного обеспечения ставилась двоякая цель: с одной стороны, сделать модели возможно более близкими к реальности, то есть попытаться учесть многие из имеющих место в исследуемом процессе явлений, таких как ионизация газа в дуговой камере плазмотрона и рекомбинация, наличие химических реакций, происходящих при высоких температурах, наличие электрических и магнитных полей в области горящей электрической дуги, термоэлектронная эмиссия нагретых частиц напыляемого материала, излучение, испускаемое и поглощаемое при реакциях элементарных частиц, испарение с поверхности катода и изменение вследствие этого теплофизи-ческих свойств плазмообразующего газа, влияние испарения напыляемых частиц на их теплообмен и коэффициент аэродинамического сопротивления, многообразие сил различной физической природы, действующих на частицы со стороны плазмы, и т. п., а с другой стороны - максимально сократить объем программ и, самое главное, время их счета, то есть сделать их эффективными с точки зрения практического использования.

Программный модуль Г.Т1А (рис.2) реализует модель Дональдсона и Грея турбулентного смешения двух различных идеальных сжимаемых газов -плазмообразующего и составляющего окружающую атмосферу за срезом сопла плазмотрона в условия), сверхзвукового истечения в расчетном режиме. Такой режим использовался в случае плазменного напыления ь разреженной контролируемой атмосфс ре (ГПГРКА).

У X

ч

ламинарное течение

турбулентное течение

ламинарное течение

турбулентное течение

Рис.2. Схема расчетов параметров потока.

Для расчета течения в зоне натекания напылительного потока на основу был разработан программный модуль SHIE (физ.-мат. модель И.А.Белова). Он рассчитывает течение в области дозвуковых скоростей и применим как в случае Ш1А, так и в случае ПНРКА в предположении, что напыляемая основа находится на достаточном удалении от среза сопла.

Несколько алгоритмов и программ было разработано для расчета течения в области сопла (рис.2). Модель, предполагающая адиабатичность течения (LASO), использовалась в основном в случае ПНРКА. В этом случае поток имеет очень высокую скорость и теплообменом со стенками сопла за время прохождения через него фиксированного объема газа пренеб-регалось. Параметры потока рассчитывались по известным из теории течения газа по трубе переменного сечения изэнтропическим формулам. Предполагалось, что в данном случае по аналогии с соплом Лаваля скорость звука достигается потоком в цилиндрической части сопла, а далее вниз по течению происходит его ускорение до сверхзвуковой скорости.

Модель течения и программа PFZR предполагает, что смешение транспортирующего г;.за плазмообразукшм происходит практически мгновенно и в сечении июкекции устанавливается некая средняя температура и скорость потока. Ламинарное и турбулентное течение моделировалось для од-

номерного случая. Для режима ПНА моделировался учет теплоотвода через стенки плазмотрона на основе данных по параметрам водяного охлаждения.

Были разработаны алгоритм и программа (SOPLO) расчета двухмерной зоны смешения в сопле. Предполагалось, что температура и скорость изменяются по оси зоны и от оси к границе по параболической зависимости.

На рис.3 в верхней части изображены программные модули, относящиеся к расчету параметров частиц напыляемого материала. Программа speed разрабатывалась на ранних этапах работы и предназначалась для расчетов траекторий и скоростей частиц. Программа TRUEKA2 предназначена для расчета скоростей инжекцш частиц, приобретаемых юли за время движения от порошкового питателя к устью инжектора и рассчитывает их одновременно для множества частиц с учетом расхода порошка, его гранулометрического состава и расхода транспортирующего газа. Она предусматривает корректировку скорости транспортирующего газа по мере разгона частиц порошка во время движения в порошковом проводе и инжекторе. Предполагалось, что в устье инжектора скорости частиц распределены по параболе с максимумом на оси потока и с нулевым значением у стенки. Обратным влиянием частиц порошка на плазмообразующий газ в работе пренебрега-лось, ибо, как показали оценки, при использовавшихсл ¡..ассовых расходах оно не существенно.

Программа KST рассчитывает координаты, скорость и температуру частицы порошка в предположении, что последняя является термически тонкой. Обычно такое предположение справедливо при значении критерия Био Bi<o,oi, что характерно для материалов с высокой теплопроводностью. Достоинства этой программы - в быстроте счета и малом объеме памяти, используемой в основном для хранения полей параметров несущего потока.

Модель GRIT предполагает, что нагрев и остывание сферической частицы однородного материала описывается внутри каждого из агрегатных слоев, из которых в данный момент времени она состоит, отдельным уравнением теплопроводности, коэффициенты которого принимаются постоянными на элементарном пространственном интервале. Путем интегрирования по объему для каждого агрегатного слоя (идея В.В.Дейнеко и О.П.Солоненко) производился переход к обыкновенному дифференциальному уравнению для среднеобъемной температуры. В результате на каждом из этапов 0-6 (рис.4) рассматривались одно или система обыкновенных дифференциальных уравнений, в которую входили также на соответствующих этапах уравнения для продвижения фронтов плавления и кристаллизации и уравнение для текущего радиуса частицы. Полученная система решалась численно методом Рунге-Кутта 4-го порядка. Предполагалось, что распределение температуры по объему частицы в пределах каздого агрегатного слоя описывается

Расчет скоростей частиц к моменту инжекшш (TRUBXA)

Расчет св:орости, координат

и темпе зратуры - безгрздп-

енткал модель (KST)

Расчет скорости, координат и температуры - градиентная модель (GRID

Расчет скорости и координат (SFEEE)

Рис.3. Схема расчетов параметров частицы в плазменной струе.

параболической зависимостью. Таким образом, в дискретные моменты времени восстанавливалось распределение температуры по объему частицы. Разработанный алгоритм и программа СИГ позволяют учесть все 18 возможных представленных на схеме (рис.4) последовательностей изменения агрегатного состояния, которые может испытать в потоке сферическая частица однородного материала. Как видно из схемы, в соответствии с моделью частица может находиться в 16 состояниях с разным сочетанием твердой и жидкой составляющих. На этапах 1,4,5,6 состояние Б отличается от А тем, что частица попадает в него, пройдя через этап испарения, так что ее размер уменьшился. На этапе 0 состояние А соответствует нагреву исходной частицы Б - остыванию твердой частицы, имеющей ядро из исходного материала, В - остыванию твердой частицы, предварительно расплавленной по всему объему. Состояния Д и Г отличаются от Б и В, соответственно, тем, что в них частица попадает, пройдя этап испарения с уменьшением ее размера.

Третья_глава посвящена вычислительным исследованиям поведения частиц напыляемого материала в плазменной струе. На рис.3 представлены основные направления, по которым они проводились. Целью этих исследований было показать на конкретном численном материале степень" влияния на результаты расчета движения и теплообмена частиц разного рода допущений в физических моделях, используемых для описания реального процесса, учета или неучета различных факторов и разброса в справочных данных по тепловым и физическим свойствам веществ. Основная часть исследований выполнялась для частиц А1203, вводимых через инжектор внутри сопла под углом 33° к его оси на расстоянии 20мм от среза.

Расчеты ускорения частиц на участке порошкового провода и инжектора проводились для условий, тлевших место в реальном технологическом режиме работы плазмотрона (расход порошка - Юг/мин, транспортирующего газа - 0,2г/с, диаметр провода - Змм, его длина - 1,5м, диаметр инжектора - 2мм, длина - Зсм). Они показали, что в предположении о стоксо-вом режиме обтекания и постоянстве скорости газа частицы диаметра 20мкм достигают- -в конце провода и инжектора скоростей 14,1 и 20,0м/с, а диаметра ЭОмкм - 11,2 и 11,9м/с. Если же делать пересчет скорости газа в процессе ускорения частиц, то соответствующие значения равны: 7,32; 11,81 и 7,14; 7,56м/с. Скорость газа в устье инжектора в'этих случаях равна 31,8 и 15,6м/с, что существенно влияет на геометрию зоны смешения.

Численные исследования влияния течения в зоне натекания на движение напыляемых частиц проводились для дозвуковой струи Аг+10?Ш2, истекающей в резкимо Ш1А из плазмотрона РП-5. Параметры потока имели вид.

представленный на рис.5, (данные получены на автоматизированном диг иостическом стенде в ИТФ СО РАН). Предполагалось, основа находив на расстоянии 16см от среза сопла. Исследовалось поведение частиц д1 метра 5-50мкм, входящих в зону на расстоянии * I -2см от оси потока имевших осевую и радиальную компоненты скорости: и =20-100м/ и =5-10м/с. Зона натекания имела длину по оси - 1см, по радиусу 2,3см. Результаты исследования показали, что частипы диаметра «;5м1 входящие в зону на расстоянии 1см от оси потока, не долетают до ос] вы, если имеют скорость и ¿50м/с. Это же относится к частицам, вхо; щим на расстоянии 2см от оси и имеющим диаметр ^20ыкм и скорое ¿20м/с или диаметр <5мкм и скорость =5100м/с. Влияние зоны натекания изменение траекторий частиц возрастает на ее периферии, при уменьшез их размера и осевой составляющей скорости.

Сравнение расчетных данных по параметрам частиц А120_, вводи внутри сопла'под углом 33° к его оси на расстоянии 2Сым от среза с ] чальной радиальной составляющей скорости 5м/с для различных моде, течения в сопле не позволило выявить общих закономерностей по пове, нию частиц разных размеров. Неучет зоны смешения приводит к тому, ' частицы диаметра ЗОмкм быстрее нагреваются, достигают температур пл. ления и кипения, но менее глубоко проникают в сносящий поток. В ре: льтате после выхода из сопла они оказываются ближе к периферии ст-ру; окончательная степень их испарения -(отношение массы испарившегося I териала к исходной массе частицы) оказывается на меньше (их д:

метры равны 27,2 и £6,6мкм). Поведение частиц диаметра бЗмкм отлича« ся не очень существенно: конечные значения диаметров - £0,37 и 60,3 случае модели турбулентного течения и 60,<13; 60,47 - для ламинарно. значения скоростей разнятся на «4>.

Сопоставление результатов расчетов по моделям КЯТ и GF.II показа, что из всех рассмотренных материалов (А1о0^, "г0.,, УО наиболее сх между собой результаты для V; - частицы из этого материала бол остальных отвечают понятию термически тонкой частипы. Однако и дл; результаты расчетов по этим моделям существенно отличаются.

В результате проведения вычислительных исследований, в которых учитывалась зависимость теплоемкости частиц (С ) от температуры, у тановлено (табл.1), что чем выше задаваемое среднее постоянное знач ние этого параметра , тем на более дальнем расстоянии от места инже ции и за больший интервал времени частица достигает температур плав, имя (Т__), кипения (Тттт) и кристаллизации (Т ), а ее полное плавл

ПЛ КИП

ние происходит медленнее. Кроме этого, в случае большей величины т< лоемкости частииа теряет менызе материала за время кипения, мен"

Рйс.Б. С?рук?уря потока да срезом сопла: « - скорость; Т -'л^ис-рлтура; С, - концентрация Лг, И

« г, 1;- ^

! Таблкцэ_1.

Результаты расчетов изменения агрегатного состояния частиц А120.3 диаметра бЗмкм для разных значений параметров и поправок (значения осевой координаты Ним), времени 1(мс), диаметра сИмкм), радиальных координат фронтов плавления и кристаллизации 1}1,'п2(мкм), остальные величины - в системе СР1). А.^ =5,796; Л2=28,98; А.^1,647; зависит от температуры. Пи0 - формула Ранца-Маршалла; ГГи1 - с поправкой А.гч/Л к Iму члену; 11и2 - с поправкой [ (ри.)г/(рц)гч]0'2 ко 2му члену.

Лч СРЧ Ни Т пл Т кип ^=0 Т К. КИП Т кр 712=0 г=190мм

861 0,7 Пи0 -13,8 -1,7 17,4 60,2 106,0 -

1=0,30 1=0,49 1уИ8,1 1=0,68 1=1,05 <1=60,62 1=1,42 1=2,13 V1'2

1254 »1 и -10,0 5,7 27,3 60,1 116,0 -

1=0,38 1=0,576 П1=17,5 1=0,776 1=1,06 <1=61,3 1=1,52 1=2,15 Ла=8.8

К 1254 И ft -8,5 11.3 7,5 60,4 119,0 180,0

1=0,40 1=0,63 1=0,59 1=1,06 <1=61,7 1=1,55 1=2,15

ь 861 0,7 Ни0 -17,4 1=0,20 -6,6 1=0,427 91,0 1=1,28 60,0 1=1,00 93,4 1=1,30 - 1=2,00

1^=26,4 <3=60,1 И2=12,5

41-1=7,57

\ 861 К И -18,0 -16,9 85,0 60,0 130,0 -

1=0,173 1=0,22 11 .,=28,9 1=1,20 1=1,02 <1=51.0 1=1,57 1=2,06 Г|2=22,4

к 1254 К г» -18,0. -16,5 104,0 60,0 142,0 -

1=0,174 1=0,236 тц =28,8 1=1,33 1=1,03 <1=51,2 1=1,66 1=2,07 Г|г=23,6

N 1254 к Пи. 1 -12,0 1=0,34 -4,6 1=0,456 60,0 1=1,05 6=59,4 117,0 1=1,49 V2'2

Аз 1254 К Пи0 -18,0 -16,3 104,0 60,1 140,0 -

1=0',"174 1=0,24 Т] =28,8 1=1,34 1=1,03 <1=51,5 1=1,64 1=2,06 Г| =23,6

степень ее кристаллизации. При использовании постоянного значения теплопроводности материала частицы (А ) - чем выш^.это значение, тем большее расстояние (интервал времени) от места (момента) инжекции до достижения частицей температур плавления, кипения и кристаллизации. Полное проплавление (т) =0) достигается в этом случае быстрее, также быстрее идет и процесс кристаллизации.

При использовании в расчетах некоторого среднего постоянного значения теплопроводности несущего потока плазмы (Ар) частица А1о0.3 позднее и па более далеком расстоянии от места инжекции достигает температур плавления и кипения по сравнению со случаем, когда учитывается зависимость X от температуры (для учета этой зависимости использовалась формула /\г=а.0(Тг/Т0)1°, где TQ=273K, XQ- теплопроводность потока при - температуре TQ). Однако температура кристаллизации достигается существенно раньше и степень кристаллизации частицы к моменту попадания на основу - выше. Это можно объяснить тем. что, когда частица находится в сопле, теплопроводность несущего потока оказывается больше принятого среднего значения, а при удалении от среза сопла - меньше.

В табл.1 также приведены результаты численного исследования влияния на величины вычисляемых параметров частиц поправок в формуле Ранца-Маршалла для критерия Нуссельта Nu:

Iíu=2+0, 6Re° • 5Pr°'3 3 3 (1 )

Здесь Не - число Рейнольдса, Рг - число Прандтля. Первая поправка представляла собой отношение теплопроводностей плазмы при_ температуре частицы и потока: А /А. , на которое домножалось 1-е слагаемое в правой части формулы (1). Вторая поправка - величина [(ргиг)/(ргчцгч)*2, на которую домножалось 2-е слагаемое. Здесь р , цг - плотность и вязкость-4 газа при его текущей температуре, а ргч, р.гч - при температуре частицы. Было установлено, что неучет 1-й поправки приводит к существенной погрешности в вычислении конечного размера частицы. В этом случае она гораздо быстрее достигает температуры кипения и успевает значительно испариться. Для частицы А1203 начального диаметра бЗмкм степень ее испарения составляет 46,3% от объема, тогда как в случае учета поправки - всего 16,2.%. Температура кристаллизации достигается на более дальнем расстоянии от среза сопла. Роль 2-й поправки менее значительна.

Нё2вертая_глава посвящена применению разработанного математического и программного обеспечения для анализа результатов физических и технологических экспериментов и объяснения явлений структурообразова-ния напыленного материала. Вычислительные исследования поведения при ПНА ансамбля частиц Al.,0^ с предварительным расчетом их начальных скоростей, приобретаемых за время движения по порошковому проводу и инке-

ктору, и с учетом различия в их координатах в момент инжекции проводи лись для фракции М63, состоящей из частиц следующих размеров: до 40мк1 - «3& всех частиц, 40-63мкы - «35%, 50-63мкм - «60%, 63-100мкм - «12; и 80-100мкм - «0,5%. Плазмообразующий газ - Лг+10%Н2. Ввод порошка через инжектор в стенке сопла плазмотрона РП-6 на расстоянии 2см о1 среза под углом 33° к оси сопла. Расход порошка - Юг/мин, плазмообра зующего газа - 2г/с, транспортирующего газа - 0,2г/с. Параметры несу щего потока представлены на рис.5. Предусматривался учет температурны: зависимостей теплопроводности и теплоемкости материала частиц, а таю теплопроводности несущего потока. Теплоемкость потока задавалась сето чным способом ца основе справочных данных. Использовались поправки ; обоим членам формулы Ранца-Маршалла. Учитывалось наличие зоны смешени. транспортирующего газа с плазмообразующим.

На рис.6а,7а представлены результаты вычислительных исследовали: параметров ансамбля частиц, а на рис.бб-з, 7б-г - результаты физического эксперимента, который проводился на диагностическом стенде в ИТ' СО РАН. Основа выставлялась в область потока на очень короткое время чтобы на ней не успел образоваться монослой покрытия. Оптические исследования проводились на универсальном микроскопе 1Л/-2. Пористую структуру материала'изучали на ртутном порометре Автопор 9200 фирмы "Мик-ромеритикс". Представлена поверхностная концентрация на плоской основ частиц различных видов (рис.бв-з), суммарная концентрация всех типо частщ (рис.66), а также зависимости пористости, среднего размера по; и плотности покрытия от дистанции напыления (рис.7б-г, соответствен но). На рис.7а обобщены данные для всех рассчитанных вариантов и пока заны интервалы Ах, на которых происходят изменения агрегатного состоя ния частщ. Справа указан средний размер частщ разных подфракций Т - означает достижение частицами температуры плавления, Т тгтт - кипе

Л><1 кхш

нил, Т - кристаллизации, Т т,т„ - окончание кипения, г) =0 - полно кр * * к. кип 'пл

проплавление и т] =0 - полное затвердевание.

Расчетные данные, .относящиеся к траектория;.! частщ различных раз меров, позволили определить форму и размеры каналов массопереноса, со ответствуыщих отдельным подфракциям исследуемой фракции порошка. Кри вые 1-5 на рис". 6а соответствуют дальним границам каналов массоперенос для подфракций, соответственно, 30; 71,5; 56,5; 45 и 20мкм. Елижня граница во всех этих случаях совпадает с линией 6 и соответствует тра екториям частщ, йчевших нулевую начальную скорость. Таким образом расчеты подтвердили обнаруженную экспериментально несимметричность пя тна напыления. Расчетные данные хорошо согласуются с данными физичес кого эксперимента (рис.66) по определению размера пятна напыления

-го -ю

V

н ,

е ««I

П.-Ю, м'1

-и -10

-6 410

и г*\

[ \

гИ-Ю.м'2- Ф

» -10 п-Ю'У* Ф

М -1» л-«Г' м"2 эю) . г 1 и 1 п, .

Я -10 л ю 1 .

Результаты расчетов границ каналов массопереноса (а) для ан-

самбля частиц фракции М63:

дальние границы для лодфракций 90;

71,5; 56,5; 45 и соответственно, 6 - ближняя граница. Поверх-

ностная концентрация частиц разных типов на основе (дистанция 190мн): б) - суммарная; в) - комкообразные частицы; г) - "сомбреро"; д) -плоские диски; е) - диски с тороидальным валиком; ж) - частицы, имеющие в центре нспроплаьленное ядро или газовый пузырь; з) - кольца.

-2 0 2 4 6 8 10 12 Щ 16 18 а (см)

"Ткил - 1м-0

а)

* *к.кип

20мкм

■==■ Тп/

I- =т

ь т

1цр.

- 1кр=о

ч

а„л=о

45

МК1Ч

Тк.К

1„„ = 0 Тк.кип

Акр

ч

56,5 н>

1кр

ч

Чпл'О

71,5ми

пористость

0,15

0,10

Тк.кип р

'Т*Р ч

ч

б)

6 8 10 12 14 16 18 СС (СМ)

| 20 средний размер пор 15 . ¿(мкм) о м п-а

" -о

3,3 плотность з 2 .и 3,1 5 а 10 12 щ 1б 18 а; (см) , р (г/см3) "-

РисЛ- 6 8 Ю 12 14 16 18 я: (см) Расчетные (а) и экспериментальные (б-г) данные по ансамблю частиц М

его наиболее возвышающейся части, которая находится на расстоянии «3-5мм от оси плазмотрона противоположно месту в^рда порошка.

Как показали расчетные данные, потери материала вследствие непро-плавления или неполного проплавления частиц порошка составляют около 30%, что хорошо согласуется с экспериментальными данными. Суммарный коэффициент использования материала с учетом всех типов потерь составляет «55%, что также хорошо согласуется с литературными данными. Получено хорошее соответствие расчетных и диагностических данных по скорости и температуре поверхности частиц на различных дистанциях напыления. В частности, на оси потока на дистанции 80мм большая часть частиц имеет температуру 3000-3400К и скорость 100-140м/с. Установлено, что самые минимальные скорости для каждого поперечного сечения потока имеют частицы, летящие параллельно оси плазмотрона и имевшие нулевую скорость инжекции. Как видно из рис.7а, в потоке возможно присутствие частиц, находящихся в сложном агрегатном состоянии: имеющих твердое ядро, жидкую прослойку и закристаллизовавшуюся внешнюю оболочку. Таким обр::.ом, расчетные данные подтверждают результат, полученный с помощью металлографических исследований.

Результаты численных исследований поведения ансамбля частиц объясняют происхождение различных типов частиц, которые были уловлены в ходе эксперимента на гладкую плоскую основу. К их числу относятся ком-кообразные частицы (рис.бв), которые присутствуют в основном в области потока, ближней к инжектору. Они могут образовыватьм из незначительно оплавленных частиц, тлевших близкую к нулевой скорость инжекции. В этой же области на основе преобладают также частицы, тлеющие в центре непроплавленное ядро (рис.бж). Они происходят из частиц, тлевших небо- % льшую скорость инжекиии и находившихся в наиболее "холодных" областях потока. В областях, находящихся на некотором расстоянии от оси потока в направлении оси канала массопереноса, значительна доля частиц типа дисков - плоских и с тороидальным валиком по границе (рис.бд.е). Они могут образовываться из частиц, имеющих жидкое ядро и незначительную твердую оболочку, которая расплавляется при соударении с основой. Наличие тороидального валика можно объяснить механизмом растекания частицы после удара о поверхность. Вероятно, такие частицы обладали более высокой скоростью и кинетической энергией, что позволило им после удара не только расплавиться, но приобрести более высокую температуру. Поэтому менее вязкий материал из центра устремился к периферии, где происходило остывание и кристаллизация, натекая на концентрическое кольцо из затвердевшего материала. Концентрация частит с разрушенной центральной частью или колец (рис.бз) на этой дистанции очень незначите-

льна. Гораздо больше их, а также звездообразных частиц обнаружено на дистанции 80мм. Это вполне объяснимо: как видно из рис.7а, на этой дистанции частицы очень сально перегреты на поверхности (так как кипение оканчивается при 1«6Смм) и практически все полностью расплавлены (т; =0). Поэтому при ударе происходит их разбрызгивание и образование отмеченных структурных элементов. Большинство уловленных на дистанции 150мм частиц составляют частицы типа "сомбреро". Возможны две гипотезы их происхождения. Согласно первой, они могут иметь внутри газовый пузырь, образовавшийся в результате химических реакций газонасыщения. Вторая гипотеза предполагает, что шарообразное утолщение в их центральной части образуется в результате медленного растекания вязких частиц и быстрой их кристаллизации.

Как показывают результаты физического эксперимента, внутренняя структура материала в неподвижном пятне напыления, а также структура слоя, сформированного за один проход плазмотрона, неоднородны. Это объясняется неравномерностью распределения температуры и скорости ' тиц, а также неоднородностью их агрегатного состояния по сечению п. ка. В частности, .структура покрытия на периферии пятна напылена, а дистанции 80мм характеризуется наличием крупных зерен. Это связано .-о значительной долей непроплавленных частиц. Справа от оси потока (рис.ба) ее составляют частицы подфракшли ЭОмкм, имеющие твердое ядро, а слева - частицы всех подфракций, имевшие близкую к нулевой скорость инжекции. Ближе к центру пятна напыления наблюдается структура с более мелким размером зерен, сокращается число крупных слабо закрепленных выкрашивающихся элементов. Это обусловлено наличием здесь частиц с меньшим размером твердых ядер, увеличением дож полностью проплавленных частиц. В центре пятна напыления преобладает слоисто-чешуйчатая структура покрытия с небольшим количеством мелкозернистых включений. Это объясняется тем, что частицы здесь находятся в основном в расплавленном состоянии и перегреты выше температуры плавления. Зернистые включения образуются за счет тех крупных частиц, которые сохранили твердое ядро. Оптимальными дистанциями для данного режима, как видно из рис.7а, являются Ю0-П0мм. Это соответствует результатам экспериментальных исследований.

Начиная с дистанции «160мм резко возрастает пористость покрытия V. средний размер пор, а плотность уменьшается (рис.7б-г). Это объясняется тем (рис.7а), чтоЛш этой дистанции частицы всех размеров, входящие во фракцию Ы5.3, уже начали кристаллизоваться с поверхности. Частицы подфракции 20мкм 'полностью затвердели на дистанции 120мм (г) =0) и уже успели значительно остыть, частицы диаметра 45мкм затвердели в значи-

тельной степени и только самые крупные из частиц имеют незначительную твердую оболочку. Поэтому в основном на этой дистанции напыляемый материал состоит из частиц, имеющих жидкое ядро разной величины и твердую оболочку. Этим объясняется формирование структуры, состоящей из шарообразных частиц с небольшим содержанием чешуйчатых включений, которые могут образовываться вследствие вытекания наружу жидких ядер при ударе частиц об основу. Некомпактная укладка частиц-блоков шарообразного типа обуславливает увеличение пористости, укрупнение пор и уменьшение плотности покрытия.

ВЫВОДЫ

1. Численное исследование ускорения частиц порошка на участке от питателя до устья инжектора с учетом их обратного влияния на транспортирующий газ показало, что в случае, когда массовый расход порошка сравним с массовым расходом газа, неучет его влияния на скорость газа приводит при вычислении скоростей инжекции напыляемых частиц к относительной погрешности порядка 40%, что существенным образом сказывается на результатах расчетов их дальнейшего поведения в потоке плазмы.

2. Численное исследование поведения напыляемых частиц в зоне натекания потока на основу показало, что для исследовавшегося режима напыления существенные отклонения в траектории движения в этой зоне могут испытывать частицы диаметра ^20мкм, имеющие скорость 00м/с и входящие в нее в областях, близких к ее границе, параллельной оси плазмотрона.

3. В результате проведения вычислительных исследований выявлены степень и характер влияния на расчетные значения параметров частиц напыляемого материала, таких как координаты и времена достижения температур плавления, кипения, кристаллизации, величины их текущего диаметра,N фронтов плавления и кристаллизации - разброса в справочных данных по теплофизическим свойствам материала частиц, учета зависимости от температуры теплопроводности несущего потока, теплопроводности и теплоемкости материала частиц, учета рекомендуемых в литературе поправок в критериальном выражении для числа Нуссельта.

При разном задании указанных теплофизических параметров в исследовавшемся режиме напыления максимальная относительная погрешность расчетного значения расстояния, на котором частицей А1о03 диаметра бЗмкм достигается температура кристаллизации, составляет 52% (абсолютная погрешность - 48,6мм), степень испарения частиц изменяется в «7,7 раза (от 6,1 до 43,9%), радиус жидкого ядра на дистанции 190мм - от 0 до 23,6мкм. Неучет поправки в виде отношения теплопроводностей приводит к увеличению степени испарения с 16,2 до 46,3%.

4. Сопоставление результатов вычислительных исследований поведения ан-

самбля частщ, инжектированных в поток плазмообразующего газа, с учетом различия в их начальных скоростях и координатах с экспериментальными данными показывает, что разработанное программно-математическое обеспечение позволяет удовлетворительно точно определить: а) потери напыляемого материала в процессе напыления; б) размер и топографию пятна напыления; в) геометрию каналов массопереноса; г) скорости и температуры напыляемых частщ.

5. Данные численных исследований согласуются с результатами физического эксперимента, говорящими о том, что: а) состояние в потоке частщ напыляемого материала неоднородно в произвольной точке и сильно несимметрично относительно оси плазмотрона; б) пятно напыления несимметрично; в) в потоке могут присутствовать частицы в сложном агрегатном сос-

ч тоянии, имеющие нерасплавленное ядро, жидкую прослойку и вторично затвердевшую наружную оболочку.

6. На основе расчетных данных объяснено происхождение различных типов частщ, уловленных на гладкую плоскую основу, к числу которых относятся плоские диски и диски с тороидальным валиком, комкообразные частицы и частщы типа "сомбреро", частицы с разрушенной центральной частью (кольца). Объяснены экспериментальные данные по статистике разных типов частщ, закрепившихся на основе при формировании 1-го монослоя покрытия.

7. Выполненные вычислительные исследования позволили дать объяснение увеличению пористости и среднего размера пор напыленного покрытия и уменьшению его плотности, происходящим на дистанциях, превышающих некоторую критическую (для условий напыления, рассмотренных в настоящей работе, это «160мм). Причиной этих изменений является то, что в напы-лительном потоке начинают преобладать частщы, имеющие закристаллизовавшуюся внешнюю оболочку все увеличивающегося размера.

8. Объяснено происхождение различных типов структур покрытия. Расчетным путем установлено, что на тех дистанциях и в тех областях пятна напыления, где экспериментально была обнаружена слоистая чешуйчатая структура покрытия, состоящая из плоских чешуек или из плоских дисков, основная масса напыляемых частщ находится в расплавленном состоянии. Мелкочешуйчатая структура соответствует большей степени перегрева частщ, которые при ударе могут разбрызгиваться. Крупнозернистая структура, образованная шарообразными частицами, характерна для периферийных областей канала массойереноса, а также для тех дистанций, на которых основная масса материала имеет закристаллизованную внешнюю оболочку.

9. Разработанное программно-математическое обеспечение позволяет получить подробную численную информацию об агрегатном и динамическом сос-

25

i

тоянии напыляемого материала на различных дистанциях и в разных областях поперечного сечения потока с учетом процентного содержания в этих областях частиц разных размеров. Оно может являться одним из средств для выявления взаимосвязи процессов, происходящих с дисперсной фазой в потоке, с явлениями структурообразования напыляемого материала. По_теме_аидсертауш_дпублшдва™

1. Рубцов Б.С. Расчет движения и теплообмена сферической частицы в струе высокотемпературного газа, истекающего в атмосферу. //Тез. докл. конф. молодых ученых и специалистов "Новые процессы получения, обработки и методы исследования металлических материалов", Москва, IS37,

с.49.

2. Рубцов B.C. О влиянии критерия Био на теплообмен твердых частиц порошка с окружающим газом. - Там же, с.54.

3. Пекшев П.Ю., Рубцов B.C., Кудинов В.В. Реализация вычислительного эксперимента для плазменного напыления дозвуковой турбулентной струей в среде нормального давления. В сб.: "Получение, свойства сверхтвердых материалов и перспективные технологии их применения", Киев, 1990, с.65-68.

4. Kudinov V.V., Pekshev P.Yu., Rubtsov В.S., Safiullin V.A. numerical study of A120^ particles aggregate state in turbulent subsonic jet in atmosphere plasma spraying. //Proc. of the Int. Workshop, 3-9 Sept., 1990, Frunze, USSR "Plasma jets in the development of new materials technology". p.269-279.

5. Pekshev P.Yu., Naumkin A.O., Rubtsov B.S. and Solonenko O.P. Gas-metal interaction by Ti plasma-spray formation. - Ibid, p.321-334.

6. Рубцов B.C., Кудинов В.В. Разработка программных средств для числе-4 иного исследования характеристик агрегатного состояния частиц материала при плазменном напылении и оценки возможных типов структур покрытия. //Материалы Междунар. научно-технич. конф. "Напыление и покры- . тия", С.-Петербург, 1995, в печати.