автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Лазерно-оптическая диагностика дисперсной фазы в плазменных струях

р Г 5 ГО^Д^СТВЕ™0 КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

: , /^р Г,

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. И. И. П0ЛЗУН0ВА

На правах рукопт'е:; УДК 533. 9 : 621. 793

ГУСЕЛЬНИКОВ СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВ/14

ЛАЗЕРНО-ОПТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ В ПЛАЗМЕННЫХ СТРУЯХ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул 1994

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. И. К ПОДЗУНОВА

На правах рукописи УДК 533. 9 : 621. 793

ГУСЕЛЬНИКОВ СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

ЛАЗЕРНО-ОПТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ДИСПЕРСНОЙ ' ФАЗЫ В ПЛАЗМЕННЫХ СТРУЯХ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул 1994

Работа выполнена в Институте теплофизики СО РАН

Научный руководитель; доктор технических наук, зав. лабораторией "Плазмодинамики дисперсных систем" Института теплофизики СО РАН Солоненко О. П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор АлтГТУ

Якунин А. Г.

кандидат физико-математических наук, с. н. с., Института теоретической и прикладной механики СО РАН Алхимов А. П.

Ведущая организация: Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск

Защита состоится декабря 1994 г. на заседании специализированного совета К 064.29.01, действующего при Алтайском государственном техническом университете им. И. И. Ползунова по адресу: 656099, Барнаул, пр-т Ленина 46

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И: И. Ползунова

Автореферат разослан ноября 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета, д. т. н., проф. Замятин В. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований.

Плазменное напыление - прогрессивный технологический процесс внесения защитных покрытий, при которой материал покрытия в виде торошка или распыляемой проволоки вводится в плазменную струю, где эн интенсивно нагревается и плавится, распыляется и транспортируется к подложке, при взаимодействии с которой образуется покрытие. Долгое вреня с момента своего появления эта технология развивалась эмпирически. Интенсивное развитие плазменного напыления усилило* интерес к исследованию процессов переноса импульса и тепла в запыленных плазменных струях, т.к. из-за очень незначительного времени пребывания частиц в зоне интенсивного нагрева и ускорения С10"э-10~*сЭ точное знание скорости переноса количества движения и тепла к частицам является основным требованием - для оптимизации режимов плазменного напыления. Поэтому с начала 80-х гг. предпринимаются значительные усилия по моделированию и экспериментальным исследованиям поведения частиц конденсированной дисперсной фазы СКДФЭ в плазменных струях.

Многообразие факторов, широкий диапазон изменения режимных параметров, чрезвычайная сложность межфазного энерго- и массо-обмена, стохастический характер процессов, характеризующих высокотемпературные запыленные струи, настоятельно требовали развития комплекса современных методов диагностики для измерения наиболее важных параметров частиц КДФ Сскорость, температура}, работающих на линии с ЭВМ.

Кроме того, широкое практическое использование и дальнейшее расширение сферы применения плазненного напыления существенно сдерживалось низким уровнем автоматизации и отсутствием устройств контроля технологического процесса, что зачастую не позволяло обеспечить таких важных требований, предъявляемых к любой технологии, как повторяемость и контролируемость процесса, лежащего в ее основе.

Цель диссертационной работы - исследование особенностей лазерной диагностики в турбулентных плазменных струях. Создание аппаратуры для измерения скорости, размера и концентрации частиц КДФ в плазменной струе и проведение экспериментальных исследований

параметров частиц в струе плазмотрона для напыления. Научная новизна работы состоит в следующей :

1.Создан лазерно-оптический комплекс для диагностики дисперсных частиц, включающий в себя лазерный дифракционный анализатор дисперсности на основе метода малых углов СММУ5, комбинированный вреияпролетный двухфокусный анемометр CL2F5, лазерно-доплеровский измеритель скорости СЛДИСЭ с прямым спектральным анализом, что позволяет проводить диагностику всех стадий обработки частиц КДФ в запыленных плазменных струях.

2.Впервые проведены экспериментальные исследования особенностей и возможностей использования в турбулентных плазменных струях метода малых углов СММУ2, времяпролетной двухфокусной анемометрии CL2FD, лазерно-доплеровской анемометрии СЛДАЭ с прямым спектральный анализом. Доказана работоспособность и перспективность использования L2F и ЛДА с прямым спектральным анализом дл? диагностики и контроля параметров КДФ в турбулентных плазменньс струях.

Применительно к ММУ показано,' что углы отклонения лазерногс пучка из-за тепловой турбулентности могут быть одного порядка с углами рассеяния на крупных частицах С1СГа~10~4рад2.

Применительно к L2F анемометрии показано, что вследствш случайных отклонений ' лазерного пучка на теипературны: неоднородностях струи возможны случайные изменения расстояни: между перетяжками, что может привести к погрешности определени скорости отдельных частиц в

3.Предложено использовать ряд статистических критерие Схарактеристические средние диаметры D , критерий согласия %z

m п

коэффициент корреляции рЗ для анализа алгоритмов восстановлени ММУ. В результате численных экспериментов получены количественны данные по точности и устойчивости различных алгоритмо восстановления.

4.Предложена и ~ реализована оригинальная конструкци времяпролетного двухфокусного анемометра CL2F3, предполагающз сопряжение в едином приемно-передающем оптическом тракте пирометром спектрального отношения, что позволяет проводит одновременное измерение скорости и температуры частиц, а такг прямые измерения эффективности обработки дисперсных материалов.

5.Предложен оригинальный метод определения вектора скорос светящихся частиц, который заключается в том, что изображен!

£

частицы проецируется на специальную кодовую диафрагму, состоящую из запускающей точечной диафрагмы Содин канал регистрации} и двух щелей, одна из которых расположена по окружности с центрон в точке запуска, другая - по ее хорде. Вреня пролета частицы до этих щелей даст соответственно модуль вектора скорости и его проекцию на некоторое выбранное направление.

6.Проведенные исследования особенностей нагрева и ускорения частиц А12Од в турбулентной струе напылительного плазмотрона с самоустанавливающейся длиной дуги свидетельствуют о том, что в характерной пятне напыления присутствуют частицы, находящиеся в существенно различных агрегатных состояниях, причем относительное содержание частиц того или иного типа изменяется по сечению пятна в широких пределах. Показано, что динаника перемещения анодного пятна дуги, разброс параметров инжектируемых частиц оказывают существенное влияние на статистический разброс скоростей и температур частиц в плазменной струе.

Научная и практическая ценность работы определяется тем, что:

1. Разработанный комплекс диагностической аппаратуры предоставляет широкие возможности в проведении фундаментальных и прикладных исследований в области плазмодинамики струйных дисперсных систем;

2. Использование предложенных статистических критериев Схарактеристические средние диаметры О , критерий согласия х , коэффициент корреляции р 3 позволяет количественно оценивать точность и стабильность алгоритмов восстановления ММУ, что дает возможность обоснованно подходить к выбору методов восстановления функции распределения ГСП);

3.Комбинированный анемометр, метод определения вектора скорости светящихся частиц можно рекомендовать для диагностики и контроля параметров частиц КДФ в высокотемпературных технологиях с участием дисперсной фазы;

4.Проведенные исследования вскрывают недостатки обработки КДФ в струях плазмотронов с самоустанавливающейся длиной дуги и односторонним вводом дисперсного материала: низкий коэффициент использования материала, существенная неравномерность температурных, скоростных и концентрационных полей частиц КДФ.

5.Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации технологии напыления плазмотроном РП-6.

Научные положения, выносимые на защиту.

1.Систена диагностики параметров частиц КДФ, включающая в себя лазерный дифракционный анализатор дисперсности'на основе ММУ, комбинированный L3F анемометр, ЛДИС с прямым спектральным анализом.

2.Комплекс математического и программного обеспечения ММУ. Статистический подход к анализу алгоритмов восстановления и численные исследования используемых алгоритмов.

3.Метод одновременного определения модуля вектора скорости и направления движения светящихся частиц.

4.Результаты исследований особенностей лазерной диагностики в турбулентных плазменных струях.

5.Результаты исследований характерных особенностей обработки частиц КДФ в струе плазмотрона с самоустанавливающейся длиной дуги и односторонним вводом дисперсного материала.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались на 2-й Всесоюз. конф. молодых исследовотелей. "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" СНовосибирск, 19873; Ith Intern, conf. on mechanics CPraha, 19873; 1 -и Всесоюз. семинаре "Оптические методы исследования потоков"" СНовосибирск, 19893; Thermal Spray Conference >90 CTS '903 CEssen, FRG, 19903; Intern. Workshop "Plasma Jets in Development of New Materials Technology" CFrunze, USSR, 19903; 1-й Всесоюз. конф. "Оптические методы исследования потоков" СНовосибирск, 19913; 10th Intern. Symposium on Plasma Chemistry CISPC 'ICD CBochurn, FRG, 19913.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах.

Объем к структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 102 наименований. Содержание работы изложено на 146 страницах текста, включая 38 рисунков и 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, поставлена цель диссертационной работы, кратко .изложены результаты, характеризующие новизну работы. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 носит обзорный характер. В ней рассмотрены состояние и проблемы исследования КДФ в плазменных струях, сформулированы задачи физического эксперимента и .дан обзор нетодов измерения размера, скорости и концентрации частиц КДФ.

Плазмодинамика дисперсных струйных систем отличается от высокотемпературной газодинамики однофазных многокомпонентных сред наличием в несущем потоке мелкодисперсной примеси, состоящей из твердых или жидких частиц различных размеров, форм и теплофизических свойств, которые, если принять во внимание многообразие технологических процессов обработки порошковых материалов, могут обмениваться с газовым потоком импульсом, теплом и массой, а также претерпевать различные фазовые и химические превращения. В большинстве случаев, представляющих практический интерес, фракционный состав порошковых материалов лежит в интервале 5*100 мкм, а скорости частиц в струе могут достигать 10ам/с.Характерной особенностью процессов, обработки дисперсных материалов в высокотемпературных потоках является ускорение Сторможение} , инерционных частиц за счет вязких сил, сопровождающееся нагревом СохлаждениемЭ, плавлением

С кристаллизацией}, а также образованием новых частиц, их ростом, дроблением, коагуляцией и т.п. Причем, необходимо всегда учитывать возможность одновременного присутствия частиц, находящихся в различных агрегатных состояниях, с целью определения долей каждого сорта частиц и их вклада в формирование напыляемого материала, а также различных структурных образований в нем. Особенностью изучения этого вопроса является необходимость выявления состояния дисперсной фазы в каждой . из взаимосвязанных областей потока, учитывая предысторию обработки частиц на предшествующих стадиях, а также неравномерность загрузки потока дисперсной фазой.

В этой связи, экспериментальные исследования поведения реального ансамбля частиц в запыленной плазменной струе с точки зрения их агрегатного состояния, распределения по размерам и скоростям на различных стадиях обработки в плазме имеет первостепенное значение.

Анализ методов диагностики показал, что наиболее перспективными для измерения скорости частиц КДФ в.плазме является ЛДИС на основе сканируемого интерферометра Фабри-Перо и времяпролетный двухфокусный анемометр. Для измерения дисперсного состава частиц был выбран метод малоуглового рассеяния.

На основе анализа исследуемых процессов и методов диагностик сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Глава 2 посвящена описанию методов измерений V диагностической аппаратуры, разработанной в рамках настоящее работы.

Метод малых углов СММУЭ используется для определения функци> распределения частиц по размерам и их концентрации. Реализовань два подхода к решению задачи определения характеристик дисперсно? среды по дифракции на ней зондирующего излучения : функциг распределения частиц по размерам восстанавливается по индикатрисе рассеяния с помощью аналитических решений обратной задач!-дифракции [13 и, наряду с этим, используются инварианть малоуглового рассеяния [23, которые позволяют определять

интегральные параметры дисперсной среды, различные средние диаметры и тип функции распределения без решения некорректное обратной задачи светорассеяния.

При простоте физического принципа измерений ММУ требует достаточно сложного математического и программного обеспечения. Разработанный программный комплекс ММУ включал в себя библиотек) функций распределения, решение прямой и обратной задачи дифракцш с использованием различных алгоритмов восстановления, вычисление инвариантов индикатрисы рассеяния и определение по ним функцие распределения, алгоритмы предварительной обработк>

экспериментальных данных С сглаживание, экстраполяция,

масштабирование й др.}. Программное обеспечение написано не алгоритмическом языке Фортран IV с применением средств машинно? графики и обеспечивает диалоговый режим работы.

С целью тестирования базовых алгоритмов на точность ь устойчивость к погрешностям измерений проводились численные эксперименты. В качестве модельных использовались

двухпараметрические функции распределения : нормальная, лог-нормальная и Розин-Рамлера. Для количественной оценки точност> восстановления использовались статистические критерии : критери{ .согласия х и коэффициент корреляции р между модельной I восстановленной функциями, характеристические средние диаметры О

В численных экспериментах сравнивались по точности ь устойчивости алгоритмы восстановления, исследовалось, влияние различных факторов Сдиапазон углов регистрации, шаг по углу и др.: на точность восстановления. Результаты численных исследовани£

позволили сделать ряд выводов :

1. Использование предложенных статистических критериев является эффективным способом количественной оценки точности и стабильности алгоритмов восстановления.

2. Все алгоритмы обращения дают различную погрешность при оценке разных средних диаметров Поэтому выбор метода восстановления должен определяться конкретной . задачей исследования. т.е. надо использовать тот метод, который обеспечивает наивысшую точность восстановления того О » который является в изучаемом процессе определяющим и используется для его описания.

3. Метод инвариантов дает завышенные оценки. причем точность увеличивается при уменьшении ширины распределения. Использование интегральных инвариантов позволяет с удовлетворительной точностью определять объёмно-поверхностный СзаутеровскийЭ диаметр . в" широком диапазоне а С погрешность менее 4 У. 3 и его значение можно применять для проверки достоверности восстановления функции распределения при решении обратной задачи дифракции.

4.Разработанный комплекс математического и программного

обеспечения позволяет эффективно решать задачу восстановления

функции распределения по зашумленной индикатрисе

рассеяния: погрешность определения О составляет менее 5%, при

™п

шуме 'с =» 10У..

При аппаратном воплощении ММУ использовалась оптико-механическая система сканирования индикатрисы рассеяния и ее регистрация с помощью фотодиодной линейки.

В первом варианте аппаратуры, реализующей метод малых углов использовалось оптико-механическое устройство для развертки индикатрисы рассеяния.' Свет лазера, рассеянный на частицах, собирался объективом на неподвижной горизонтальной щели Д . С помощью вращающегося диска Дс вырезанными в нем радиально расположенными щелями производилось сканирование по углу рассеяния в. Рассеянный свет, прошедший через щели Д и Д с помощью линзы собирался на катоде ФЭУ, перед которым размещен узкополосный интерференционный фильтр, пропускающий излучение на длине волны лазера. Регистрируемый аналоговый сигнал с помощью согласующего устройства поступал на вход модуля АЦП с буферной памятью, выполненного в стандарте КАМАК. В пределах диапазона углов

регистрации е<=[ О; 0.15) раЭ интенсивность света падает прз возрастании в. В этой связи, щель Ддля улучшения отношенш сигнал-шун имела форму двух острых углов величиной 3° с обще} вершиной, совпадающей с оптической осью прибора. Ширина } сканирующей щели была равна 0.2 мм. Записанные индикатрись

подвергались затем предварительной цифровой обработке на микроЭВ!1 Элек:троника-60: вычитание фона, получение усредненного профиля пс п индикатрисам, фильтрация, сглаживание, интерполяция данных и др. Результирующая индикатриса использовалась для решения обратной задачи на мини ЭВМ СМ-4. Исходная информация, промежуточные данные, результаты восстановления могли быть отображены на ЦГД или выведены на печатающее устройство.

Во втором варианте профиль интенсивности дифракционной картины регистрировался фотодиодной линейкой .СФДЛЗ, расположенной в фокальной плоскости приёмной линзы. Обработка сигнала с ФДЛ производилась стандартным образом путём оцифровки с помощью 10-ти разрядного АЦП на линии с никроЭВМ Электроника-60.

Для возможности регистрации оптического сигнала в более широком динамическом диапазоне перед ФДЛ устанавливался линейный поглащающий фильтр, имеющий большую плотность вблизи 6=0. Фильтр представлял собой два склеенных клина, один из которых изготовлен из прозрачного стекла, другой - из нейтрального светофильтра. Кроме того, была предусмотрена возможность записи при различных экспозициях, и построение «суммарной» индикатрисы, путем «сшивки» участков записанных при разных экспозициях, что также позволо расширить динамический диапазон регистрации.

Во. всех случаях для уменьшения шума, обусловленного спекл структурой дифракционной картины, производилось усреднение пс нескольким индикатрисам Сдо 50 записей}. Время накопления и число индикатрис для усреднения задавались с пульта микроЭВМ.

Для получения реального профиля интенсивности учитывалась чувствительность каждой ячейки, аппаратная функция пропускания измерительного тракта, вычитался шум "темнового тока, световой фон и после этого осуществлялась цифровая фильтрация и сглаживание профиля интенсивности дифракционной картины.

Результаты измерений представлялись в графической и табличной форме. Рассчитьвалось и могло быть выдано на печать любое из трех распределений: счетное сШ/¿О, поверхностное или объемное

сИ//<Ю. Фиксировалось число индикатрис используемых для усреднения» время накопления фотодиодной линейки, вычислялись инварианты индикатрисы рассеяния. Кроме того, для проверки достоверности результатов восстановления определялся коэффициент корреляции между экспериментальными значениями 1СвЗе3 и рассчитанными по восстановленной функции распределения; а также сравнивались значения Одг, вычисленное по восстановленной функции и определенное по отношению интегральных.инвариантов.

Тестирование аппаратуры проводилось на частицах ликоподия и на порошках металлов со сферическими частицами, предварительно подвергнутых микроскопическому анализу. Проверка показала, что погрешность определения средних диаметров не превышает 10%.

На рис.1 показана принципиальная оптическая схема разработанного в представляемой работе оборудования, реализующего различные технические решения времяпролетного метода измерения скорости одиночных частиц: с использованием лазерной подсветки и по собственному , тепловому излучению частиц.

В первом случае реализована схема двухфокусного лазерного анемометра СЬ2Р} с призмой Рошона в качестве светоделителя. Рассеянное на частице излучение может приниматься как в обратном направлении, так и под прямым углом, а также регистрируется затенение лазерного луча. Скорость определяется по времени пролета частицы между двумя фокусными пятнами, расстояние между которыми известно. Для исследования распределения вектора скорости частиц по углам имеется возможность поворота плоскости зондирования путем вращения призмы Рошона К.

Сборка Ь2Р анемометра осуществлена . на базе оптико-механического конструктива лазерного доплеровского

анемометра ЛАДО-2. В качестве источника излучения используется аргоновый лаэер 1ЬА-1ЕО-1 на длине волны Х=488 нм, мощность каждого из зондирующих лучей ~20 мВт.

Вращение призмы Рошона осуществляется с помощью шагового электродвигателя ШДА-1 (¡номинальный шаг 22.'5°3 через редуктор, что обеспечивает дискретизацию по углу = О. 004°. Работа шагового двигателя управляется контроллером шагового двигателя УШД-2А, выполненом в стандарте КАМАК.

В приемно-передающем тракте используются дихроичные зеркала М2, ИЗ с целью сопряжения анемометра с пирометром спектрального отношения: М2 отражает лазерное излучение и пропускает излучение с

X > 550 нм, МЗ пропускает рассеянное лазерное излучение и отражает излучение с X > 550 нм.

В качестве фотоприемников в тракте обратного рассеяния используются ФЗУ84-2, тракте бокового рассеяния - ФЭУ60, а затенение лазерных пучков регистрируется с помощью фотодиодов ФД-256.

Параметры измерительного объема L.2F анемометра : диаметр перетяжек dp = 15 мкм, расстояние между ними L = 520 мкн. Длина измерительного объема зависит от конфигурации анемометра Собратное рассеяние, боковое рассеяние или затенение} и уровня запуска системы регистрации.

Скорость светящихся частиц может определяться и без лазерной подсветки по их собственному излучению путем измерения времени пролета некоторой базы сформированной в плоскости J Срис.1}. Измерительной базой может служить, например, двухточечная диафрагма. Однако, как предложено в настоящей работе, если использовать специальные кодовые диафрагмы, то можно одновременно определять скорость и направление движения светящихся частиц. Кодовая диафрагма состоит из запускающей точечной диафрагмы Содин канал регистрации} и двух щелей, одна из которых расположена по окружности радиуса R, другая - по ее хорде Сдругой канал регистрации}. Измерение времени пролета частицы до этих щелей даст

соответственно модуль вектора скорости [F | и его проекцию на

1 р 1

некоторое выбраное направление z - V^ .

Тестовые эксперименты проводились на струе плазмотрона РП-6 с частицами AI О и показали работоспособность и эффективность

2 Э

предложенного метода. При шаге дискретизации используемого двухканального АЦП <5т = 40нс оказалось возможным с точностью 3-5° определять направление движения частицы.

Система сбора данных анемометра выполнена в блочно-модульном исполнении с использованием стандарта КАМАК. Все сигналы от ФЭУ поступают на идентичные широкополосные импульсные видеоусилители. Система сбора снабжена устройствами предварительной обработки сигналов, позволяющими нормализовать исходные сигналы, поступающие по различный оптическим трактам.

Измерение времени пролета производится старт-стопным преобразователем время/код счетно-импульсного типа с частотой заполнения 100 МГц, для которого стартовым является импульс вырабатываемый при пересечении частицей первой перетяжки, а

стоповым - второй.

Обработка сигналов возможна, если их амплитудные значения превышают пороговые. Пороги срабатывания амплитудных

дискриминаторов устанавливаются с помощью цифро-аналоговых преобразователей и задаются непосредственно с пульта компьютера.

кроме того, запуск системы сбора возможен по двуканальной схеме совпадения.

Для определения счетной концентрации частиц измеряется заданное количество событий N за время I.

Программное обеспечение, поддерживающее сбор и обработку данных, позволяет работать в режиме диалога. По окончании сбора данных компьютер выдает распределение частиц по скоростям, которое сопровождается служебной информацией и рядом параметров: средняя скорость; среднеквадратичное отклонение; счётная концентрация; время, затраченное на сбор данных; порог дискриминации; заданное количество частиц; количество частиц, прошедших обе перетяжки; вероятность пролета через две перетяжки. Далее информация может быть передана во внешнюю память компьютера для • длительного хранения и дальнейшей обработки.

ЛДИС с прямым спектральным анализом реализован по схеме с опорным пучком на основе одночастотного лазера и высокоразрешающего конфокального интерферометра, сканируемого пьезокерамикой, с фотоэлектрической регистрацией спектра.

* При первой технической реализации аппаратуры, одночастотный лазер собирался самостоятельно на базе аргонового лазера ЛГН-503. В качестве анализатора использовался сканирующий конфокальный интерферометр Фабри-Перо с зеркалами на оптическом контакте АНБ-231 со следующими параметрами: область свободной дисперсии Дvo =1.5 ГГц, аппаратурная полуширина 10 МГц. На этой базе был собран анемометр по схеме с опорным пучком и углом приема рассеянного излучения а~40°. Тестовые испытания проводились на струе плазмотрона РП-6 с частицами А12°3 Фракции 20-90 мкм. При мощности зондирующего излучения мВт СХ=514нмЭ оказалось возможным

измерение скорости частиц - непосредственно на срезе сопла плазмотрона при хорошем отношении сигнала к шуму Выполненные эксперименты показали работоспособность и перспективность применения ЛДИС с прямым спектральным анализом для исследования запыленных плазменных струй.

В последней модификации анемометра в качестве источника

излучения использовался аргоновый лазер ILA-120-1 с внутрирезонаторным эталоном на длине волны \=488 нм. Угол приема рассеянного света составил 90° с зондирующим лучом и 45° с осевым направлением потока, причём измерительный объем ЛДИС совмещен с измерительным объеном двухфокусного анемометра L2F. Доплеровский сдвиг Avd регистрировался конфокальным ИФП с пьезокераиическим сканированием лабораторного изготовления. Область свободной дисперсии ИФП Дг>о=375 МГц , разрешение 6i>o=15 МГц, частота сканирования 50 Гц. Фотоэлектрическая регистрация доплеровского .спектра осуществлялась с помощью ФЭУ-79 и осциллографа, синхронизируемого напряжением сканирования.

В оптическом тракте опорного пучка был установлен акустооптический модулятор, который сдвигает частоту опорного луча относительно зондирующего на 20 МГц, что позволяет избежать наложения контуров опорного и доплеровского сигналов при измерении малых скоростей.

В главе 3 описывается экспериментальный стенд для исследования гетерогенных плазменных- струй, представлены результаты исследований особенностей лазерной диагностики в турбулентных высокотемпературных потоках и результаты экспериментов по изучению межфазного обмена импульсом и теплом в турбулентной запыленной плазменной струе, истекающей из плазмотрона с самоустанавливающейся длиной дуги.

В состав физической установки входят: 13. Система газо-водо-и электрообеспечения , позволяющая работать на стенде с различными плазменными устройствами мощностью до 100 кВт. 25.Дозатор для ввода порошковых материалов в плазменную струю. 33. Координатный стол с тремя степенями свободы X, У, Z для перемещения плазмотрона; координатный стол реализован на основе вертикально-фрезерного станка марки 6Л12П и позволяет с точностью до 0.05 им фиксировать координату требуемой точки. 43, Система контроля режимных параметров физической установки Сток и напряжение на дуге плазмотрона, расходы охлаждающей воды, плазмообразующих и транспортирующего газов, температура охлаждающей воды на входе и выходе плазмотронаЗ.

Всё диагностическое оборудование смонтировано на массивной металлической плите размером 1.5x5 м. Измерительная аппаратура работает на линии с компьютером.

Для исследования особенностей лазерной диагностики в

плазменных струях были проведены следующие эксперименты : 13 измерение с помощью ФДЛ-камеры уширення профиля интенсивности и смещения центра тяжести лазерного пучка, прошедшего плазменную струю, в фокальной плоскости приёмной линзы; 25 измерение частотного спектра и амплитуды смещения лазерных перетяжек двухфокусного анемометра в плазменной струе.

Показано, что регулярные отклонения лазерного пучка вследствие градиентов показателя преломления и случайные отклонения вследствие пульсаций температуры СплотностнЭ газового потока С "тепловая турбулентность"!) обуславливают принципиальные методические трудности применения ММУ в плазменных струях : углы отклонения лазерного пучка на тепловых турбулентностях могут быть одного порядка с углами рассеяния на крупных частицах. В этой связи в исследованиях поведения частиц КДФ в плазменной струе аппаратуру, разработанную на основе ММУ применить не удалось. Применительно к L2F анемометрии показано, что вследствие случайных отклонений лазерного пучка,обусловленных тепловой турбулентностю, возможны случайные изменения расстояния между перетяжками, что может привести к погрешности определения скорости до 5%.

Экспериментально исследовалась гетерогенная плазменная струя, истекающая из плазмотрона с самоустанавливающейся длиной дуги, выходным соплом которого являлся диффузор с полным углом раскрытия 11 , длиной 10 мм и диаметром на выходе D_=10 мм. Режимные параметры следующие : ток дуги 1=300А, мощность Р=18 кВт, расход плазмообразующего газа G =2 г/с С90% Аг, 10% N Э > расход транспортирующего газа 6^^=0.04 г/с САгЗ.

В работе [3] приведены результаты исследования гомогенной плазменной струи при рабочих значениях режимных параметров плазмотрона. Анализ температурного поля струи показывает, что зона интенсивной термообраборки тугоплавких материалов для исследуемого плазмотрона мала как в осевом, так и в радиальном направлениях. Такая структура потока делает нецелесообразной инжекцию материалов под срез сопла и ,требует строгого подбора расхода транспортирующего газа для того, чтобы основная доля дисперсной фазы переносилась в приосевой области струи.Кроме того, скорость генерируемого потока сравнительно невысока и так же, как температура, быстро затухает в осевом и радиальном направлениях, а область, где частицы могут ускоряться за срезом сопла-анода, резко ограничена.

В качестве дисперсной фазы использовался плавленный электрокорунд, являющийся а-фазой окиси аллюминия. На рис.2 приведена функция распределения частиц по размерам исходного порошка А12Оэ> измеренная с помощью дифракционного анализатора дисперсности. Подача порошка производилась с помощью тарельчатого дозатора Т\«ап-2. Ввод дисперсного материала в канал плазмотрона осуществлялся через отверстие диаметром 2 мм в цилиндрической части сопла-анода под углом 33° к оси потока с противоположной стороны от области преимущественной привязки анодного пятна дуги. При этом, газодисперсный поток " сначала вводился в коаксиальную полость, а из неё - в канал сопла - анода. В этом случае должна наблюдаться существенная динамическая неравновесность

"инжектируемые частицы - транспортирующий газ" Экспериментально измеренное на модели инжектора распределение скорости частиц на его выходе показано на рис.3.

Измерение параметров частиц в струе плазмотрона было проведено с применением лазерно-оптического комплекса Срис.15. Для измерения скорости частиц использовался комбинированный времяпролетный анемометр. Температура поверхности частиц определялась методом двухцветовой пирометрии в приближении серого тела, величина погрешности измерений в этом случае не превышала 55«. Запуск пирометра осуществлялся либо систеной запуска анемометра по рассеянию СзатенениюЗ лазерного излучения при пролете частицы первого фокуса, либо по собственному свечению частиц.

На рис.4 представлены изнерененные радиальные Сг=2/0 =8Э и

с

осевые распределения скорости частиц в струе Сось г совмещена с осью плазмотрона, ввод частиц осуществлялся вдоль оси ^ со стороны положительной полуоси}. Как видно, имеет место несимметричность в распределении скорости частиц, при этом максимум скорости смещен примерно на 90° от направления ввода в сторону противоположную области привязки анодного пятна дуги. Наблюдаемое смещение можно объяснить особенностями взаимодействия струи газовзвеси, истекающей из инжектора, с дугой. При такой геометрии ввода струя газовзвеси натекает на дуговой канал не по диаметру,^ а по хорде, что приводит из-за термического расширения транспортирующего газа к возникновению конвективного потока, направленного в сторону, противоположную области привязки анодного пятна. В это течение вовлекаются.частицы малых размеров из-за их

малой инерционности. Увеличение концентрации малых частиц и является причиной смещения максимума осредненной скорости.

Представляет интерес сравнение данных по скоростям частиц, полученных с применением L2F Срис.5, аЗ , когда вклад в статистическое распределение скоростей в измерительном объеме вносят все частицы, пересекающие его, и по собственному тепловому излучению, когда регистрируются лишь частицы с достаточно высокой температурой поверхности Срис.5, 63. Видно, что максимум скорости во втором случае смещен в область больших значений, что очевидно обусловлено вкладом более мелких, а следовательно, и более нагретых частиц. Это также хорошо прослеживается . при сравнении рис.4, а и рис.4, г.

В связи с данным обстоятельством отметим некоторые особенности процессов обработки дисперсных материалов в струях плазмотронов с самоустанавливающейся длиной дуги. Вследствие перемещения анодного пятна дуги по ' поверхности выходного электрода, изменяется длина дуги, что приводит к пульсациям температурного поля струи. Для визуализации этих пульсаций выбранное сечение струи было спроецировано на линейку фотодиодов. Было установлено,' что в случае единичной экспозиции при времени накопления ФДЛ 10_4с наблюдается несколько высокотемпературных "каналов", что является следствием перемещения анодного пятна по поверхности выходного электрода. С увеличением суммарного времени экспозиции радиальное распределение интесивности свечения струи приближается к нормальному, что коррелирует с результатами измерений энтальпийным зондом и спектральными измерениями [3].

Поскольку характерное время пребывания частиц в зоне нагрева и ускорения t*=d0'3-10"4c, а спектральный диапазон пульсаций длины дуги f 03-г104Гц, видно, что динамика перемещения анодного пятна может оказать существенное влияние на статистический разброс параметров . одиночных частиц, регистрируемых в фиксированном измерительном объеме.

Пирометрические измерения показали, что наблюдается широкий спектр значений температур частиц, при этом значительное их число имеет температуру ниже 1500 К : так в точке с координатами R^O, R =0 - 44У,, а в точке R =-4, R =0 -.70%. Еще меньше частиц нагрето

у x у

выше температуры плавления А1г°3 Тпл=230° К С и ' 1454

соответственно 3. На рис.6 представлено распределение по оси R^ в сечении z = 8 доли частиц с Т > 1500 К по отношению к общему

количеству зарегистрированных частиц.

Таким 'образом, сочетание лазерного запуска и пирометрии позволяет прогнозировать коэффициент использования порошковых материалов в процессе их обработки.

Результаты проведенного . комплексного эксперимента

свидетельствуют о том, что в исследуемом потоке присутствуют частицы, находящиеся в существенно различных агрегатных состояниях и относительное содержание частиц того Или иного типа может изменяться в широких пределах. Наличие же в газодисперсном потоке к моменту соударения с основой частиц, находящихся в различных агрегатных состояниях и их участие в формировании покрытия является важным фактором, определяющим характер и степень структурной неоднородности материалов, получаемых методом газотермического напыления.

Агрегатное же состояние частиц определяется их гранулометрическим составом, условиями нагрева и ускорения, которые, как показывают экспериментальные данные, неоднородны в радиальном и осевом направлениях потока и имеют нестационарный характер.

. Таким образом, показано, что в турбулентной запыленной струе, истекающей из плазмотрона с самоустанавливающейся длиной дуги и имеющей сильно неоднордные поля температур и скоростей, наряду с полидисперсностью и односторонним вводом порошка, неизбежно появление частиц, имеющих существенно различное агрегатное состояние в момент соударения с основой. Это объясняет, почему при использовании плазмотронов указанного типа невозможнообеспечить напыление однородного и качественного покрытия, а также высокий коэффициент использования материала.

В заключении сформулированы основные результаты работы :

1. Создан лазерно-оптический комплекс для диагностики дисперсных частиц, включающий в себя лазерный дифракционный анализатор дисперсности на основе метода малых углов СМЮО, комбинированный времяпролетный двухфокусный анемометр СЬЕИЗ, лазерно-доплеровский измеритель скорости СЛДИО с прямым спектральный анализом на. базе конфокального сканирующего интерферометра Фабри-Перо.

2. Разработан комплекс математического и программного обеспечения ММУ. Проведены численные исследования используемых алгоритмов восстановления. Для тестирования алгоритмов на точность

устойчивость применен статистический подход. Показано, что юльзование статистических критериев является эффективным зсобом количественной оценки точности и стабильности алгоритмов ^становления.

3. Предложена и реализована оригинальная конструкция чбинированного L2F анемометра, предполагающая сопряжение с рометром спектрального отношения и позволяющая проводить широкий асс исследований КДФ в плазменных струях, в том числе, прямые мерения эффективности обработки дисперсных материалов.

4. Предложен оригинальный и достаточно простой в реализации тод одновременного определения модуля вектора скорости и правления движения светящихся частиц, который может быть комендован как для научных исследований, так и для контроля сокотемпературных технологий с участием КДФ.

5. Проведены экспериментальные исследования особенностей зерной диагностики в турбулентных плазменных струях, именительно к L2F анемометрии показано, что вследствие случайных клонений лазерного пучка от первоначального направления спространения, обусловленных тепловой турбулентностью, возможны учайные изменения расстояния между перетяжками. Погрешности ределения скорости в данной ситуации могут достигать 5У..

6. С помощью многофункционального лазерно-оптического мплекса проведены измерения параметров частиц А12°э в рбулентной струе напылительного плазмотрона с моустанавливающейся длиной дуги. Вскрыты основные недостатки ого типа плазмотронов для обработки порошковых материалов. |Казано, что динамика перемещения анодного пятна дуги, разброс :раметров инжектируемых частиц Сразмер. скорость, угол ввода} :азывают существенное влияние на статистический разброс скоростей температур частиц.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах .-. Гусельников С.М. .Жгутова Е. В. .Заварзин А. Г. ,Михальченко A.A. Лазерно-оптическая диагностика высокотемпературных запыленных струй vV 2-я Всесоюз. конф. молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" : Тез. докл., 10-12 марта 1987 г. - Новосибирск, 1987. - С.261-262.

Гусельников С.М. , Заварзин А. Г., Лягушкин В. П., Михальченко А.А.,Солоненко 0.П. ✓v Автоматизированный стенд для комплексного исследования высокотемпературных гетерогенных

струй // Proc. 1th Intern. Conf. on Mechanics. - Praha, 1987. V. 6. - P. 243-244.

3. Гусельников C.M. , Заварзин А.Г., Лягушкин В. П. Комплекса лазерно-оптическая диагностика дисперсной фа: высокотемпературных гетерогенных струй /у Оптические мето,

• исследования потоков : Тез. докл. X Всесоюз. семинар; май,1989. - Новосибирск, 1989. - C.15S-1SS.

4. Гусельников С.М. , Заварзин А. Г. , Лягушкин В. П., Михальчеш А. А. Лазерно-оптический диагностический комплекс д. исследования высокотемпературных гетерогенных струй // Изв. i АН СССР. - 1990. - Ы°4 Сер. техн. наук. - Вып. 4. - С. 29-33.

5. Guselnikov S. М. , Zavarzin A. G. Lyagushki n V. Р. , Mikhalchen: А. А. , Solonenko О. Р. , Complex local diagnostic of particli in plasma spraying ys Proc. Thermal Spray Conference4 CTS'903, Essen, FRG, £9-31 Aug., 1990. - P. 218-220.

. 6. Guselnikov S. M. , Zavarzin A.G. , Lyagushkin V. P. , Mikhalchen A. A. , Solonenko O. P. Laser optical diagnostics complex Г . investigation of high-temperature heterogeneous jets // Plas Jets in the Development of New Materials Technology : Pro . Intern. Workshop, Frunze, USSR, 3-9 Sept. 1990 - Utrecht VSP, Netherlands, 1990. - P. 163-170.

7. Гусельников С. M. , Заварзин А.Г. Время-пролетная анемометрия исследованиях гетерогенных плазменных струй ss Оптическ методы исследования потоков : Матер. 1-й Всесоюз. конф.,апр 1991. - Новосибирск, 1991. - С.190-1Э1.

8. Гусельников С. И. , Заварзин А. Г., Жгутова Е. В. Лазе рн дифракционный анализатор дисперсности У у Оптические мето исследования потоков .- Матер. 1-й Всесоюз. конф. , апр. , 199 - Новосибирск, 1991 - С. 144-145.

9. Guselnikov S. М. , Lyagushkin V. Р. , Mikhalchenko А. А. , Solonen О. P. , Zavarzin A.G. Application of multifunctional las optical apparatus in investigation of heterogeneous plas jets // Proc. 10th Intern. Symposium on Plasma Chemistr Bouchum, FRG, Aug. 4-9. 1391. - V. 1. - S. l.Srl4, P. 1-6.

Литература

1. Шифрин К.С., Колиаков И.Б. Вычисление спектра размеров част по текущим и интегральным значениям индикатрисы в облас малых углов физика атмосферы и океана.- 1967,- Т.З, №li

С.1271-1278.

2. Зимин Э.П. Инварианты малоуглового рассеяния света и их использование для диагностики грубодисперсных частиц-Л---Газотермодинамика многофазных потоков в энергоустановках.-Харьков, 1978,- Вып.1.- С.69-74.

3. Солоненко 0. П. , Лягушкин В.П.,Пекшев П. Ю. , Сафиуллин В.А. ' Комплексное исследование процессов при формировании покрытий турбулентной плазменой струёй // Генерация потоков электродуговой плазмы : Сб. научн. тр. - Новосибирск, 1987. -С.359-382.

INTEGRATING

Pnc.1 IlpHHUHnHaJibHas cxena KOMguHMposaHHoro L2F aHeMOHeTpa

л

®10

50 ЭО

0<МКМ>

от

Е

о

о ф

>

с о <!>

£

Рис.2

150

. 75

-'12 -8 -4 0 4 § Г2

150

75

2,тт

°0 ?б 85 1 ¿0 160

[III

123456789

V

Р __ Рис. 3 150л

. "75

-12-8 -4 &0 4 200т

100

_Rv.ir.rn

ГТг

_ _Ях.тт

-'12 -8 -Ч о 3 § Гг

Рис.4 Радиальные и осевые распределения скорости частиц: а.-в. - измерения с помощью лазера, г. - по собственному свечению частиц

Рис.5 Распределение скоростей частиц в приосевых точках : а - измерения с помощью лазера, б - по собственному тепловому излучению частиц.