Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Краткий анализ современного состояния исследований в области ХГН 14
1.1 История ХГН 14
1.2 Направления исследований ХГН 15
1.2.1 Газодинамика ХГН 15
1.2.2 Взаимодействие частиц с подложкой 20
1.2.3 Свойства покрытий 26
1.2.4 Разработка оборудования для реализации ХГН 27
1.3 Нанесение многокомпонентных покрытий 29
Выводы к главе 1 36
Глава 2 Влияние точки ввода порошка на параметры частиц при вылете. Эжекторная схема формирования двухфазных потоков в условиях ХГН 37
2.1 Влияние точки ввода на параметры частиц при вылете из сопла 37
2.2 Новый способ напыления многокомпонентных покрытий 44
2.3 Эжекторные схемы формирования двухфазных потоков 45
2.3.1 Классический эжектор 4 6
2.3.2 Эжектор с центральным телом 49
Выводы к главе 2 51
Глава 3 Экспериментальное применение разработанного способа нанесения многокомпонентных покрытий из смесей порошков методом холодного напыления 52
3.1 Схема сопла с классическим эжектором 52
3.2 Исследование влияния точки ввода порошка в поток на параметры частиц и на процесс формирования покрытия 54
3.2.1 Экспериментальное исследование влияния точки ввода порошка на процесс формирования покрытия 54
3.2.2 Численный расчет 59
3.2.3 Экспериментальная верификация численного расчета 63
3.2.4 Анализ параметров удара частиц алюминия, введенных в дозвуковую и сверхзвуковую области эжекторного сопла 66
3.3 Экспериментальное нанесение многокомпонентных покрытий 70
3.3.1 Нанесение покрытия медь - алюминий 70
3.3.2 Нанесение покрытия титан - алюминий 75
3.4 Эжектор с центральным телом 77
3.5 Перспективы развития предложенного способа напыления: предварительный нагрев частиц 85
Выводы к главе 3 88
Глава 4 Особенности нанесения металлокерамических покрытий методом ХГН 90
4.1 Проблемы напыления металлокерамических покрытий 90
4.2 Экспериментальное исследование влияния керамических частиц на процесс формирования покрытия 91
4.2.1 Зависимость коэффициента напыления металлокерамической смеси от содержания керамики 91
4.2.2 Зависимость коэффициента напыления металлокерамической смеси от содержания керамики 95
4.3 Расчет вероятности высокоскоростного соударения керамических и металлических частиц в потоке 99
Выводы по главе 4 108
Заключение 109
Условные обозначения 111
Список литературы 113
- Направления исследований ХГН
- Новый способ напыления многокомпонентных покрытий
- Исследование влияния точки ввода порошка в поток на параметры частиц и на процесс формирования покрытия
- Экспериментальное исследование влияния керамических частиц на процесс формирования покрытия
Введение к работе
Метод холодного газодинамического напыления (ХГН) является сравнительно
новым способом напыления порошковых покрытий. Формирование покрытия происходит при температурах, значительно ниже температуры напыляемого материала, что является основным отличием ХГН от других методов термического напыления.
Явление ХГН впервые было обнаружено в Институте Теоретической и Прикладной Механике. В первых исследованиях (Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Папырин А.Н.) была показана возможность соединения с подложкой мелких частиц в твердом состоянии, выявлены некоторые особенности их ударного взаимодействия с преградой, определены условия формирования покрытий для ряда порошковых материалов, позволяющие разрабатывать физические и математические модели. Практика использования метода ХГН поставила ряд проблем и привела к необходимости детального исследования основных физических процессов, ответственных за конечные свойства получаемых материалов и покрытий. Таким образом, возникли задачи по определению связи параметров взаимодействующих объектов с характеристиками, получаемых в результате этого материалов и покрытий
В настоящее время исследованием процесса ХГН заняты десятки научных коллективов по всему миру. По результатам работы этих коллективов опубликованы сотни статей, получено более ста пятидесяти патентов. Обзор опубликованных работ показывает, что за последние десять лет произошел существенный прогресс в понимании и описании физических явлений, происходящих при ХГН, существенно усовершенствована технология напыления покрытий, разработано новое оборудование. Также широко ведется работа по внедрению метода ХГН в производство, созданы центры по разработке и изготовленшо оборудования, удовлетворяющего требованиям современной промышленности.
Важно отметить, что подавляющее большинство проведенных исследований посвящены напылению однокомпонентных покрытий, то есть покрытий, состоящих из порошка одного материала (чистый металл или сплав). Однако в последнее время все больший интерес для исследователей и технологов представляет процесс напыления многокомпонентных покрытий. Напыление такого рода покрытий осуществляется двумя способами.
Первый способ заключается в напылении частиц, имеющих сложную многокомпонентную внутреннюю структуру (в том числе наноразмерную структуру). Напыление такого рода порошков позволяет получать покрытия с уникальными свойствами, которые невозможно получить с помощью напыления однокомпонентных частиц. Данный способ является сравнительно новым и его появление связано в первую очередь с возникновением технологической возможности изготавливать сложные порошки с внутренней структурой в промышленных масштабах. Однако, применение данного способа и исследование происходящих при его реализации процессов в настоящее время ограничено в связи с высокой стоимостью порошков, имеющих сложную многокомпонентную структуру.
Второй способ, значительно более простой и дешевый, заключается в напылении
покрытий, состоящих из смесей микродисперсных однокомпонентных порошков.
Такие покрытия также могут обеспечить уникальные свойства с возможностью их
варьирования в широком диапазоне путем изменения состава напыляемой смеси по
толщине покрытия. Обзор научной литературы, посвященной проблематике
нанесения многокомпонентных ХГН-покрытий методом напыления
микродисперсных смесей, показывает, что изучение процесса холодного газодинамического напыления многокомпонентных покрытий таким способом в настоящее время также затруднено. В основном это связано с технологической сложностью реализации процесса. Как правило, такой способ холодного газодинамического напыления многокомпонентных покрытий реализуется путем напыления заранее приготовленных механических смесей с подачей порошка в дозвуковую либо сверхзвуковую область газового потока. Однако известно, что для эффективного напыления каждого материала требуются свои собственные значения температуры и скорости частиц. Следовательно, для каждого материала необходимо подбирать индивидуальные параметры газового потока. Поэтому, при напылении заранее приготовленных смесей из порошков металлов чрезвычайно сложной является проблема поиска оптимальных параметров газового потока, обеспечивающих эффективное напыление каждого компонента. Например, нанесение смесей алюминий-титан, алюминий-железо затруднено, так как компоненты этих смесей имеют существенно различающиеся критические параметры и соответственно они эффективно напыляются при разных параметрах газового потока. Вследствие
этого, зачастую оказывается невозможным подобрать параметры газового потока так, чтобы они обеспечивали эффективное напыление обоих компонентов смеси. В этой связи требуется разработать новый подход к реализации холодного газодинамического напыления многокомпонентных покрытий, состоящих из смесей микродисперсных порошков. В настоящей работе впервые предлагается проводить управление температурой и скоростью частиц напыляемой смеси порошков не только путем варьирования параметров газового потока, но и путем независимой инжекции каждого компонента напыляемой смеси в разные области потока газа. В этом случае формирование напыляемой смеси происходит непосредственно внутри сопла в процессе напыления, что позволит избавиться также от процесса предварительного замешивания компонентов перед напылением. Таким образом, проводя инжекцию каждого компонента напыляемой смеси в наиболее оптимальные, с точки зрения эффективного напыления, области газового потока, можно добиться эффективного напыления многокомпонентного покрытия в целом.
Новым направлением в нанесении многокомпонентных покрытий является напыление металлокерамических покрытий. Напыление керамических порошков методом ХГН затруднено вследствие непластичности керамических частиц. Добавка металлических частиц в керамический порошок позволяет наносить смесевые металлокерамические покрытия, в которых металлическая компонента играет роль матрицы, удерживающей керамические частицы. В настоящее время экспериментально получено, что процесс формирования металлокерамических покрытий имеет ряд особенностей, обусловленных взаимным влиянием керамических и металлических частиц на процесс напыления. Однако данные особенности в настоящий момент являются слабо изученными и требуют дальнейших экспериментальных и теоретических исследований.
Постановка задачи, таки образом, включала в себя исследование влияния точки ввода порошка в газовый поток на параметры частиц при вылете из сопла и разработку нового способа нанесения многокомпонентных покрытий методом ХГН, основанного на раздельном вводе компонентов напыляемого покрытия в поток.
Важно отметить, что ввод частиц в сверхзвуковую область потока, в отличие от ввода частиц в дозвуковую область, может осуществляться за счет эффекта эжекции. Это позволяет использовать дозаторы, работающие при малых давлениях, что
существенно упрощает техническую реализацию процесса ввода порошка. Однако в настоящее время в литературе слабо представлены данные по расчету и описанию эжекторных сопел, работающих в условиях холодного газодинамического напыления. В этой связи актуальным является изучение режимов работы эжекторного сопла в контексте его эффективности для реализации процесса ХГН.
Также важной задачей являлось исследование особенностей формирования металлокерамических покрытий в зависимости от типа напыляемых смесей (различные типа металла и керамики), процентного соотношения металла и керамики в смеси, размера частиц в смеси.
Цели работы
1. Исследование влияния типа подачи порошка в газовый поток (введение в
дозвуковую область и сверхзвуковую область) на параметры порошка (скорость и температура) при вылете из сопла.
Разработка способа нанесения многокомпонентных покрытий путем раздельного ввода компонентов смеси в дозвуковую область и сверхзвуковую области.
Применение разработанного способа для экспериментального исследования особенностей процесса формирования многокомпонентных металлических покрытий.
Экспериментальное исследование особенностей ХГН-нанесения металлокерамических покрытий, влияния параметров керамического порошка (размера, массового содержания в смеси и т.д.) на процесс формирования покрытий.
Разработка рекомендаций по дальнейшему развитию способа напыления многокомпонентных ХГН покрытий с помощью раздельной подачи напыляемых компонентов.
Научная новизна
Экспериментально и теоретически показано, что в условиях ХГН скорость и
температура микродисперсных частиц перед соударением с преградой существенным образом зависят от того, в какую область потока в сопле Лаваля - дозвуковую или сверхзвуковую - они инжектированы.
Впервые предложен способ холодного газодинамического напыления многокомпонентных металлических покрытий с раздельной инжекцией каждого напыляемого компонента в различные области сопла с целью оптимального нагрева и ускорения частиц каждого порошка.
Для реализации подачи компонент напыляемой смеси в сверхзвуковую область впервые предложено использовать эффект эжекции.
Проведено теоретическое и экспериментальное обоснование эффективности
разработанного способа холодного газодинамического напыления
многокомпонентных покрытий с раздельной подачей напыляемых компонент на примере различных материалов.
Впервые предложен способ холодного газодинамического напыления многокомпонентных металлокерамических покрытий с раздельной инжекцией каждого напыляемого компонента в различные области сопла с целью оптимального нагрева и ускорения частиц каждого порошка, а также исключения эрозии стенок сопла в критическом сечении керамическими частицами.
Экспериментально исследованы некоторые особенности процесса формирования металлокерамических покрытий, в частности влияние процентного содержания керамики и размера керамических частиц на коэффициент напыления смеси.
Практическая значимость
Разработанный способ ХГН нанесения многокомпонентных покрытий может быть успешно применен как для проведения дальнейших исследований касающихся изучения явления ХГН, так и для промышленных приложений. На разработанный способ и устройства для его реализации получены два российских и один европейский патент.
Достоверность результатов обусловлена применением известных и хорошо зарекомендовавших себя методик; полученные результаты физически непротиворечивы, расчетные и экспериментальные результаты удовлетворительно согласуются друг с другом. Важным свидетельством достоверности полученных в диссертации результатов является их апробация на национальных и международных симпозиумах и конференциях, а также обсуждение этих результатов со специалистами в данной области. На защиту выносятся
Результаты численного исследования влияния расположения точки ввода порошка в поток газа на скорость и температуру частиц в момент удара.
Способ нанесения многокомпонентных покрытий (металл + металл, металл + керамика) методом ХГН с раздельной подачей напыляемых компонент смеси в различные области газового потока с целью оптимального нагрева и ускорения частиц каждого компонента напыляемой смеси, а также исключения эрозии стенок сопла в критическом сечении керамическими частицами.
Результаты расчетного и экспериментального исследования процесса нанесения многокомпонентных покрытий (металл + металл) предложенным способом на примере нескольких материалов.
Результаты экспериментального исследования влияния процентного содержания керамики в напыляемой смеси, а также размера керамических частиц на процесс формирования металлокерамического покрытия.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на семинарах академика В.М. Фомина в
ИТПМ СО РАН, на семинарах профессора И. Смурова в Национальной Инженерной Школе Сэнт-Этьена (Франция), а также на различных российских и международных конференциях
XLII Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2004;
XII Всероссийская научная Конференция Студентов-Физиков и молодых ученых, 2006;
IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, Нижний Новгород, 2006;
Международная конференция по термическому напылению (Маастрихт, Нидерланды, 2008);
13-ая и 14-ая Международная конференция «Методы аэрофизических исследований» (Новосибирск, Россия, 2007, 2008);
4-я и 5-я Европейская летняя школа «Перспективные методы обработки поверхности и их перспективы в промышленности» (Сэнт-Этьен, Франция, 2007, 2009).
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 5 статьях в рецензируемых
журналах и 10 материалах всероссийских и международных конференций, получено два российских и один европейский патент.
Личный вклад автора
При выполнении работ по теме диссертации диссертант принимал активное
участие в постановке задач, обсуждении результатов, подготовке печатных работ и докладов на конференциях. Основные результаты диссертации получены при непосредственном участии автора. Им проведены все эксперименты и расчеты, представленные в работе. Результаты совместных работ представлены в диссертации с согласия соавторов. Автор выражает всем соавторам благодарность.
Краткое содерэ/саниеработы по главам
Первая глава содержит в себе обзор публикаций, посвященных ХГН,
проводится анализ приоритетных направлений работы исследователей в области
холодного газодинамического напыления. В первой части главы сформулированы
четыре основных направления работ в области исследования процесса ХГН, кратко
представлены основные на сегодняшний день результаты по каждому из
направлений. Во второй части главы проанализированы работы, посвященные
напылению многокомпонентных покрытий методом ХГН. Сформулированы
основные векторы исследования в данном направлении, очерчен круг проблем,
существенно затрудняющих исследования. В конце главы в виде тезисов
сформулированы наиболее актуальные на сегодняшний день научные и технологические проблемы данного направления.
Вторая глава посвящена задаче исследования влияния точки ввода порошка в сопло на параметры частиц (скорость и температура) при вылете из сопла. На основе одномерной изоэнтропической теории движения газа были проведены численные расчеты параметров частиц алюминия, введенных в различные точки сопла Лаваля. В результате моделирования получено, что частицы порошка введенные в сверхзвуковую область сопла имеют существенно более низкую температуру при вылете из сопла, чем частицы введенные в дозвуковую область сопла, при этом разница в скорости оказывается сравнительно небольшой. Варьирование точки ввода порошка в поток предложено использовать как независимое средство управления параметрами частиц напыляемого материала. Предложен новый способ холодного газодинамического напыления смесей порошков, заключающийся в том, что компоненты смеси вводятся в сопло независимо друг от друга в различные области сопла с целью оптимального нагрева и ускорения частиц каждого компонента. Для ввода порошка в сверхзвуковую область предложено использовать эффект эжекции. Рассмотрены основные методики расчета эжекторных сопел, предложены различные возможные конфигурации эжекторного сопла для раздельной подачи напыляемых компонент в дозвуковую и сверхзвуковую области газового потока.
В третьей главе описаны проектировка и изготовление соплового узла с эжектором, позволяющего проводить подачу компонентов напыляемой смеси, как в сверхзвуковую, так и дозвуковую области потока газа.
На примере порошка алюминия экспериментально доказано, что расположение точки ввода существенным образом влияет на температуру частиц перед ударом и соответственно на процесс напыления этих частиц. В частности получено, что в случае подачи в дозвуковую область порошок алюминия эффективно напыляется при существенно меньшей температуре торможения газа, чем в случае его подачи в сверхзвуковую область. Проведенные расчеты и измерения скорости частиц при вылете из сопла, а также расчеты температуры частиц перед ударом в зависимости от типа ввода порошка в поток доказывают возможность использования управления местоположением точки ввода порошка в поток как независимое средство контроля за температурой и скоростью частиц перед ударом.
С помощью изготовленного соплового узла произведено напыление покрытий медь - алюминий и титан - алюминий, что подтверждает эффективность предложенного способа напыления смесей с раздельным вводом компонентов в поток.
Также рассмотрена возможность применения соплового узла с центральным телом, рассмотрены некоторые особенности газового течения в такого рода соплах.
В качестве перспективы дальнейшего развития предложенного способа напыления многокомпонентных металлических покрытий, предложено применять предварительный прогрев порошка. Произведены расчеты, подтверждающие эффективность предварительного нагрева порошка для управления температурами удара частиц напыляемых компонентов смеси в случае ввода напыляемых компонентов в сверхзвуковую область потока.
В четвертой главе рассматривается возможность применения способа с напыления смесей с раздельной подачей компонентов в поток для реализации холодного напыления металлокерамических покрытий. С применением данного способа произведены исследования некоторых аспектов процесса формирования металлокерамических покрытий. Экспериментально показано, что добавление керамических частиц в металлический порошок (алюминий и медь) существенно влияет на процесс холодного напыления металлического порошка. Добавка мелких керамических частиц (20 - 30 мкм) приводит к существенному увеличению коэффициента напыления металлического порошка (эффект активации). Добавка крупных керамических частиц приводит к уменьшению коэффициента напыления металлического порошка и существенной эрозии поверхности. Выявлено, что наибольшим коэффициентом напыления имеют смеси с 25 - 30 % содержанием керамического порошка, при этом процентное содержание керамики в покрытиях не превышает 10-15%. Предложена гипотеза, связывающая активирующее влияние керамического порошка на процесс напыления металлического порошка с воздействием керамического порошка на напыляемую поверхность (очистка поверхности от окисленного слоя вследствие высокоскоростного удара), а также с высокоскоростным соударением металлических и керамических частиц в потоке (очистка поверхности металлических частиц от окисленного слоя). Произведен численный анализ, показывающий, что в определенных условиях вероятности
высокоскоростного соударения металлических и керамических частиц в газовом потоке могут достигать высоких значений.
В заключении диссертации приводятся основные результаты и выводы.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю В.Ф. Косареву, а также СВ. Клинкову за поддержку в выполнении работы, помощь при постановке задач и обсуждении полученных результатов.
Автор особо благодарит профессора И. Смурова за всестороннюю организационную и финансовую поддержку проведенных исследований.
Неоценимую помощь в проведении экспериментов и анализе их результатов оказал профессор А.Н. Папырин. Автор выражает ему глубокую признательность.
Также автор благодарит А.А. Смирнова, Ю.А. Чивиля, В.В. Лаврушина, Р.А. Макова за совместно выполняемы работы, дискуссии и советы.
Направления исследований ХГН
При получении покрытий с помощью метода холодного напыления для ускорения и нагрева частиц используется высокоскоростной поток газа. Поэтому в первую очередь необходимо рассматривать общие закономерности течения газа и движения частиц в соплах и струях, а также при натекании струи на преграду. Поскольку процесс ХГН определяется в первую очередь скоростью частиц, важно понимать влияние на нее параметров процесса (давление и температура газа в форкамере) и геометрии сопла. Скорость частиц, которая может быть получена с помощью установки ХГН, ограничена скоростью газа. Использование высокого давления газа, длинных сопел и мелких частиц приводит к тому, что частицы движутся со скоростью, близкой к скорости газа, которая может быть увеличена путем использования газов с малым молекулярным весом и нагревом газа. На практике желательно получить достаточную скорость частиц так, чтобы форкамерно-сошювые узлы были компактны при наименьшем расходе газа. Желательно также избегать использования высокого давления и высоких температур газа. В существующих на данный момент работах измерение параметров газового потока в ХГН проводится с помощью традиционных методик - датчиков статического и динамического давления и термопар [1].
Эксперименты показывают, что типичными для ХГН значениями параметров газа являются: давление в диапазоне 0,5 до 5 МПа, температура торможения газа от 300 до 1200 К, числа Маха газового потока от 1 до 3,5. Измерение скорости частиц, как правило проводится с помощью широко распространенных методик PTV (particles track velocimetry) и PIV (particles image velocimetry), а также с помощью ЛДИС (лазер-допплеровский измеритель скорости) [1, 7, 8, 10-19]. Данные экспериментов показывают, что типичные для ХГН скорости частиц лежат в диапазоне 300 - 1000 м/с в зависимости от типа материала и параметров газа (тип, плотность, температура, скорость). Например, в работе [14] представлены результаты экспериментального определения скорости частиц на выходе из сопла. Частицы нержавеющей стали 316L близкого фракционного состава-45 +15 мкм, но различной морфологии (сферические и ангулярные) разгонялись воздухом и гелием при различных параметрах торможения. Поучены следующие результаты. Сферические частицы при ускорении гелием с температурой торможения 200С достигают средней скорости от 400 до 610 м/с при увеличении давления от 1 до 3 МПа. При давлении 2 МПа средняя скорость частиц равна 550 м/с и почти не зависит от температуры торможения, которая менялась от 150 до 300С. Ангулярные частицы имеют скорость от 480 до 830 м/с при изменении давления от 1 до 2,5 МПа при постоянной температуре торможения 200С. При давлении 2 МПа их скорость равна 700 м/с и также почти не зависит от температуры в пределах от 150 до 300С. В работе [19] были экспериментально получены профили распределения частиц по скоростям и размерам на выходе из сопла в зависимости от температуры и давления газа. Профили распределения по скоростям частиц могут быть аппроксимированы верхней частью кривой Гаусса.
В эксперименте не удается зафиксировать скорости частиц близкие к нулю, так, например, при температуре струи 400С и давлении в форкамере 2,5 МПа минимальная скорость частиц составляет примерно 400 м/с, максимальная - 800 м/с (рис. 1.4). Измерение температуры частиц в настоящее время затруднено, так как в условиях ХГН значение температур частиц невелико (250 - 900 К), что делает невозможным применение пирометрии и других экспериментальных техник, основанных на определении температуры объекта по яркостной температуре. Применение инфракрасных камер сопряжено с большими трудностями из-за сильного температурного фона нагретого газа и недостаточной чувствительности существующего оборудования. При моделировании движения газового потока в процессе ХГН широкое распространение получила изоэнтропическая модель. В данном приближении предполагается, что течение газа в сужающемся/расширяющемся сопле (сопле Лаваля) изоэнтропийное (адиабатичное и без трения) и одномерное. Изоэнтропическая модель не учитывает наличия пограничного слоя вблизи стенок сопла, где газ движется медленнее, чем вблизи оси, и вычисленная скорость газа оказываются несколько выше, чем измеряемая экспериментально. Параметры газа являются функциями геометрии сопла, полной температуры газа и давления торможения.
Поток ускоряется или тормозится за счет изменения поперечной площади течения [1,20 - 22]. Также известно применение моделей, основанных на введении в изоэнтропические уравнения течения поправок на трение о стенки сопла и рост пограничного слоя [1,23]. Такие модели показали хорошую корреляцию с экспериментальными данными при расчете плоских и конических сопел на расчетном режиме истечения. Очень широкое распространение получил коммерческий пакет FLUENT позволяющий моделировать газовый поток в соплах любой формы и конфигурации в широком диапазоне параметров [24-31]. Метод, лежащий в основе FLUENT, основан на численном решении уравнений Навье-Стокса с применением известных способов моделирования турбулентности. Как правило, данный пакет используется в тех случаях, в которых применение изоэнтропических моделей является заведомо некорректным (сильная степень нерасчетности истечения, сложный профиль сопла). При расчете скорости движения частиц, как правило, используется известное уравнение Здесь v, vp -скорости газа и частиц, тр-масса частицы, р-плотность газа, Sp-площадь миделевого сечения частицы, t - время.
Новый способ напыления многокомпонентных покрытий
Из результатов расчетов следует, что выбор точки ввода порошка (в форкамеру сопла или в сверхзвуковую область) существенно влияет на параметры частиц при вылете из сопла, в частности на их температуру. Данный эффект можно использовать для напыления многокомпонентных покрытий из порошков с существенно различными термодинамическими свойствами. В том случае, если термодинамические свойства материалов близки, то подачу порошков можно осуществлять в одной и той же точке потока. Для компонентов смеси, требующих интенсивного прогрева для реализации напыления, следует выбирать ввод в дозвуковую часть сопла. Более легконапыляемые компоненты (компоненты, требующие меньшего нагрева), следует вводить в сверхзвуковой части сопла (рис. 2.10). Подавая порошки различных материалов в разные точки сопла одновременно, можно добиться эффективного формирования многокомпонентного покрытия, так как частицы всех компонентов в момент вылета из сопла будут иметь оптимальные для напыления параметры. Так как смешение компонентов будет происходить непосредственно в газодинамическом тракте, то соотношения компонентов в покрытии следует задавать, меняя расход одного из компонентов. При наличии дозаторов порошка высокой точности и управляемости это позволяет получать т.н. градиентные покрытия с переменной концентрацией одного из компонентов по толщине покрытия. Для реализации описанной выше способа напыления многокомпонетных покрытий необходимо сконструировать сопло, позволяющее вводить компоненты смеси одновременно в дозвуковую и сверхзвуковую области. Как указывалось в Главе 1, введение порошка в дозвуковую область сопла необходимо осуществлять принудительно с помощью дозаторов высокого давления. Подачу порошка в сверхзвуковую область можно осуществлять с помощью эжекторного принципа. В этом случае порошок подается из дозатора, находящегося под атмосферным давлением, за счет эффекта эжекции. Это существенно упрощает конструкцию дозатора и установки в целом. Однако, несмотря на достаточно широкое практическое применение, детальное экспериментальное исследование и теоретический анализ картины движения частиц порошка в эжекторных сопла в условиях ХГН до настоящего времени практически не проводились. Также практически не встречаются работы по газодинамической оптимизации подобных эжекторных сопел.
Все исследовательские работы проводились на типовом оборудовании двух производителей в довольно узком диапазоне параметров. Для реализации эжекторного способа подачи порошка в сверхзвуковую область сопла можно использовать две различные схемы эжектора. Классическая схема эжектора представлена на рисунке 2.11. В случае классического эжектора эжектируемый поток газа подается с помощью сопла Лаваля расположенного соосно с цилиндрической камерой смешения. Подсос эжектируемого потока производится в этом случае в периферийной области камеры смешения. В случае достаточного запаса давления, эжектирующий поток расширяется в камере смешения до некоторого сечения, называемого сечением запирания. Эжектируемый поток течет по сужающемуся каналу, образуемому стенками камеры смешения и границей струи из сопла Лаваля, и в сечении запирания разгоняется до скорости звука. В этом случае концепцию сопла с двумя точками ввода порошка можно представить себе так, как изображено на рис. 2.12. Существует несколько методик расчета классических газовых эжекторов. Наиболее просто классический эжектор можно рассчитать, используя следующие соотношения [120-121]: Соотношение (2.1) называется основным уравнением эжекции. Функция z(l) есть газодинамическая функция \ - скоростной коэффициент эжектирующего потока, зависящий от геометрии сверхзвукового сопла, то есть отношения Sc//Sit Я - скоростной коэффициент эжектируемого потока, Я - скоростной коэффициент полученной смеси. Величина 9 определяется как отношение температур эжектируемого и эжектирующего газов Параметр Э характеризует величину относительного теплоподвода. Он имеет смысл, если при смешении потоков происходит подвод тепла, например горение смеси. В нашем случае она равна нулю. Величина п называется коэффициентом эжекции.
Для нее справедливо соотношение где П есть отношение давлений эжектирующего и эжектируемого газов П = -. Величина а называется основным геометрическим параметром эжектора и является отношением площадей сечений сопел эжектирующего и эжектируемого газов: q - газодинамическая функция от скоростного коэффициента X. Для воздуха: Кроме этого, существует метод Ю.Н. Васильева, позволяющий рассчитывать параметры эжектора на критическом режиме работы [133]. Расчет по этому методу сводится к решению системы, составленной из уравнений (2.7) и (2.8): ЛІ - значение коэффициента скорости эжектирующего потока в сечении запирания. Таким образом, задавая геометрию эжектора, с помощью этой системы уравнений можно рассчитать, при каких значениях температуры и давления эжектирующего потока эжектор выйдет на критический режим работы. Параметры смешанного потока на выходе можно определить из соотношения (2.1) и из уравнения (2.4), связывающего полные давления смешанного и эжектирующего потоков:
Исследование влияния точки ввода порошка в поток на параметры частиц и на процесс формирования покрытия
Согласно выводам, полученным в Главе 2, эффективное напыление одного и того же порошка поданного в дозвуковую и сверхзвуковую области потока будет происходить при существенно разных температурах торможения газа. В частности, предполагалось, что при подаче порошка в дозвуковую область, частицы будут напыляться при более низкой температуре торможения газа, чем в случае подачи в сверхзвуковую область. Были проведены эксперименты с напылением алюминиевых частиц на алюминиевую подложку при различных значениях температуры торможения газа с подачей порошка через первую точку ввода (дозвуковая область), а затем через вторую (сверхзвуковая область). Сопло устанавливалось на оборудовании, схема которого представлена на рисунке 3.3. Данная установка позволяла варьировать рабочее давление торможения газа от 1,0 до 2,5 МПа и температуру торможения газа от 300 К до 850 К.Для подачи порошка использовались два независимых дозатора - высокого давления для инжекции порошка в дозвуковую область и атмосферного давления для эжекции порошка в сверхзвуковую область. Для эксперимента использовался коммерчески доступный порошок алюминия марки Metaux et Chimie 350TL, распределение по размерам и внешний вид которого представлены на рисунке 3.4 и 3.5. Сначала проводилось напыление с подачей порошка алюминия в дозвуковую область сопла (первая точка инжекции). Расход порошка составлял 0,2 г/с, скорость перемещения подложки относительно сопла составляла 10 мм/с. Давление торможения рабочего газа (азот) составляло 2 МПа. Напыление проводилось на алюминиевую подложку без предварительной обработки.
Температура торможения газа увеличивалась в процессе напыления от 423 К до На рисунке 3.6 а представлен внешний вид покрытия, напыленного с подачей порошка алюминия в дозвуковую область. Получено, что при температуре торможения газа до 500 К реализуется устойчивое напыление покрытия. В случае, если температура торможения газа превышала 500 К, на поверхности покрытия образовывались агломераты из слипшихся частиц алюминия, а на внутренней поверхности сопла в области критического сечения наблюдалось отложение частиц порошка. Это сигнализирует о чрезмерном превышении температуры частиц алюминия. В случае подачи порошка в сверхзвуковую область потока при температуре торможения 473 К, покрытие практически не напыляется. Увеличение температуры торможения приводит к закреплению частиц на подложке. Устойчивый процесс напыления данного алюминиевого порошка происходит при температуре торможения газа не менее 650 К (рис. 3.6 Ь). торможения газа 500 - 550 К. Понижение температуры торможения газа за рамки этого диапазона приводит к понижению коэффициента напыления. Превышение температуры торможения приводит к агломерации частиц в потоке и к налипанию на стенки сопла. При подаче алюминиевого порошка в сверхзвуковую область эффективное напыление достигается при температурах торможения газа существенно более высоких, чем при подаче в дозвуковую область. Причем никаких агломераций порошка или налипания частиц на стенки сопла при подаче частиц в сверхзвуковую область не наблюдается. Далее была проведена серия экспериментов с целью измерения коэффициента напыления порошка алюминия в зависимости от точки ввода порошка в поток и температуры торможения газа. Эксперимент проводился по схеме и параметрах, описанных выше. Коэффициент напыления вычислялся как отношение изменения массы покрытия к массе выброшенного порошка
Здесь dm масса покрытия, a mpowjer масса выброшенного порошка. В целях избегания налипания порошка на стенки сопла, при подаче порошка в дозвуковую область, температура торможения газа не превышала 523 К. При подаче порошка в сверхзвуковую область, температура торможения газа увеличивалась до 700 К. Результаты измерения коэффициента напыления представлены на рис. 3.7. Из рисунка 3.7 видно, что коэффициенты напыления порошка алюминия существенно зависит от точки ввода порошка в поток. Так, коэффициент напыления 0,5 достигается при вводе порошка в дозвуковую область достигается при температуре газа 473 К, тогда как при подаче порошка в сверхзвуковую область коэффициент напыления достигает такого же значения только при температуре газа 673 К. Проведенные эксперименты говорят о том, что выбор точки ввода порошка в сопло сильно влияет на параметры частиц при вылете из сопла. В случае ввода порошка алюминия в дозвуковую область потока, примерно треть частиц достигают критических параметров, необходимых для напыления при меньшей температуре газа, чем в случае подачи порошка в сверхзвуковую область.
Экспериментальное исследование влияния керамических частиц на процесс формирования покрытия
Целью данных экспериментов являлось исследование зависимости коэффициента напыления металлокерамического покрытия от процентного содержания керамики смеси. Эксперименты проводились на основе способа, представленного на рис. 4.1. В качестве металлической компоненты напыляемого покрытия использовался порошок меди, аналогичный порошку, использованному в экспериментах, описанных в Главе 3. В качестве керамической компоненты использовался порошок карбида кремния, внешний вид которого и распределение частиц по размерам представлены на рис. 4.2. подложке (рис.4.5). Данное активирующее влияние ослабевает по мере увеличения температуры торможения газа. Это объясняется тем, что увеличение температуры торможения газа увеличивает скорость и температуру частиц меди, что увеличивает их вероятность напыления на неактивированной поверхности. Иными словами, после определенного значения температуры торможения газа, коэффициент напыления чистой меди на неподготовленной поверхности уже настолько высок, что активационное воздействие керамического порошка уже не вызывает сколь либо заметного улучшения условий для напыления меди. В этом случае частицы меди с одинаковой вероятностью закрепляются как на активированной, так и на неактивированной поверхности вследствие высокой скорости и температуры удара. Интересно отметить, что керамические частицы играют роль некоего «катализатора» для напыления металлических частиц, при этом сами керамические частицы остаются в покрытии в сравнительно малых количествах. То есть, активирующее влияние керамических частиц с одной стороны увеличивает общий коэффициент напыления смеси за счет увеличения числа напылившихся частиц металла, однако с другой стороны сами керамические частицы отскакивают от поверхности, тем самым, уменьшая общий коэффициент напыления. Рис. 4.3 показывает, что существует некое оптимальное, с точки зрения коэффициента напыления, число керамических частиц, которое достаточно, чтобы активировать процесс напыления металлических частиц, но при этом понижение коэффициента напыления вследствие их отскока после удара меньше, чем рост коэффициента напыления вследствие их активирующего воздействия на напыление металла. Кроме того, важно отметить, что высокоскоростной удар керамических частиц помимо выявленного активирующего воздействия оказывает на поверхность еще и эрозионное воздействие.
Однако, как показывают результаты эксперимента, эрозионный вклад также оказывается незначительным по сравнению с активирующим влиянием. Было предположено, что интенсифицировать эрозионное влияние керамического порошка можно с помощью увеличения размера керамических частиц. В этой связи интересным представляется измерение зависимости коэффициента напыления металлокерамических смесей от размера керамической компоненты. Были проведены эксперименты по влиянию размера керамических частиц на процесс формирования металлокерамического покрытия [126]. В качестве металлических порошков использовались порошки алюминия Metaux et Chimie 350TL и меди Metaux et Chimie MCU 410, характеристики которых представлены в Главе 3. В качестве керамических порошков использовались две фракции порошков оксида алюминия и две фракции порошков карбида кремния. Чтобы понимать о каком керамическом порошке идет речь, будем далее добавлять к его названию через дефис цифру, означающую среднее значение размера частиц, например Al203-19, SiC-135 и т.д. На рисунках 4.6 - 4.8 представлены фотографии используемых порошков керамики, а также гистограммы их распределения по размерам. Эксперименты проводились в следующей последовательности. Сначала производилось напыление порошка алюминия с подачей через первую точку инжекции. Расход алюминия составлял 0,1 г/с. Угол напыления составлял 90, скорость перемещения сопла 7 мм/с, время напыления 35 с. Эксперименты проводились при четырех значениях температуры газа - 373 К, 423 К, 473 К, 503 К. Давление газа было постоянным и составляло 1,4 МПа. Итого было получено 4 образца с алюминиевым покрытием. Далее при абсолютно таких же параметрах проводилось напыление образцов с одновременной подачей порошка алюминия через первую точку инжекции с расходом 0,1 г/с и подачей порошка керамики через вторую точку инжекции. Эксперименты проводились с каждым из 4 типов керамического порошка при значении расхода 0,5 г/с. Таким образом, массовое отношение в напыляемых смесях составляло и 16,5 % А1 - 83,5 % керамики. Далее, по такой же схеме проводились эксперименты с напылением порошка меди и смесей порошков меди и керамики.
Расход меди составлял 0,3 г/с. Напыление производилось при температурах 473 К, 573 К, 643 К, 698 К и давлении газа 1,6 МПа. Расход керамики также составлял 0,5 г/с, что давало массовое отношение в смеси 37,5 % Си - 62,5 % керамики. На рисунках 4.9 и 4.10 представлены полные коэффициенты напыления смесей алюминия и меди с керамическими порошками, а также коэффициенты напыления металлической компоненты в смеси с керамикой. Полный коэффициент напыления вычисляется как отношение массы покрытия к массе всего выброшенного порошка, как керамического, так и металлического. Коэффициент напыления по металлу вычисляется как отношение массы металла в покрытии к массе выброшенного металлического порошка. Масса металла в покрытии вычислялась с помощью анализа микрошлифов полученных покрытий.
