Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор состояния и проблемы диагностики дисперсных частиц в плазменных струях 11
1.1. Анализ исследуемых процессов 11
1.2. Обзор и сравнительный анализ методов измерения скорости, температуры и размера дисперсных частиц в потоках плазмы 15
1.2.1. Методы измерения скорости частиц 19
1.2.2. Методы измерения температуры частиц 27
1.2.3. Методы измерения размера и счетной концентрации частиц 36
1.3. Существующий уровень реализации диагностических комплексов для измерения основных параметров дисперсной компоненты, анализ погрешностей 43
1.4. Выводы по обзору и постановка задачи исследования 62
2. Сквозное компьютерное моделирование виртуальной диагностической аппаратуры для измерения параметров одиночных частиц в запыленном потоке плазмы 65
2.1. Метод и аппаратура для одновременного измерения вектора скорости, размера и температуры одиночных частиц 65
2.1.1. Описание оптической схемы 69
2.1.2. Обработка экспериментальных данных 72
2.1.3. Методики тестирования и тарировки диагностической аппаратуры 74
2.2. Физико-математическая модель виртуального диагностического комплекса 79
2.3. Структура программного комплекса и физические основы моделирования 86
2.4. Применение программного комплекса для анализа погрешностей измерения параметров частиц 92
2.5. Применение программного комплекса для анализа возможностей полихроматической пирометрии для измерения параметров частиц 97
3. Исследование процесса формирования сплэтов оксида алюминия и диоксида циркония при плазменном напылении 107
3.1. Описание модельной физической установки 109
3.2. Анализ интегральных и пульсационных характеристик электрической дуги плазмотрона с межэлектродной вставкой мощностью 50 кВт 118
3.3. Комплексное исследование формирования сплэтов из компактных частиц металлических оксидов 123
3.3.1.Теоретические основы растекания и затвердевания микрокапли оксида металла при соударении с подложкой 123
3.3.2. Анализ и обобщение полученных экспериментальных данных 129
3.4. Экспериментальное исследование формирования сплэтов из полых частиц диоксида циркония при плазменном напылении 143
Заключение 157
- Обзор и сравнительный анализ методов измерения скорости, температуры и размера дисперсных частиц в потоках плазмы
- Существующий уровень реализации диагностических комплексов для измерения основных параметров дисперсной компоненты, анализ погрешностей
- Физико-математическая модель виртуального диагностического комплекса
- Комплексное исследование формирования сплэтов из компактных частиц металлических оксидов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Последнее десятилетие характеризуется растущим интересом к напылению покрытий из оксидов металлов (А120з, Zr02, ТЮ2, Сг203 и др.): термобарьерных, каталитических, электроизоляционных, износостойких и т.п. Это подтверждается большим числом публикаций и регулярностью конференций и симпозиумов, проводимых в данной области, например, Международных конференций по термическому напылению - Кобе, Япония, 1995; Ницца, Франция, 1998; Монреаль, Канада, 2000; Сингапур, 2001; Эссен, Германия, 2002; Флорида, США, 2003; Осака, Япония, 2004; Базель, Швейцария, 2005 Подчеркивается, что повышение качества и улучшение структуры напыляемых материалов во многом определяется степенью понимания гидродинамических и теплофизических процессов, происходящих при высокоскоростном соударении микрокапель тугоплавких оксидов с металлической подложкой или напыляемым покрытием.
При плазменном напылении, включающем практически все характерные особенности технологий газотермического напыления (ГТН), покрытие формируется путем послойной укладки отдельных сплэтов - растекшихся и затвердевших на подложке капель расплава [1]. В этой связи, постановка комплексных исследований, обеспечивающих проведение по возможности полностью контролируемых модельных физических экспериментов, корректную интерпретацию получаемых опытных данных, прогнозирование на их основе более детальной картины указанного явления является актуальной проблемой. Ее решение во многом определяется возможностью постановки комплексных теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия «капля оксида металла - поверхность» при полном контроле ключевых физических параметров (КФП): скорости Нро, размера Dp, температуры Тр0 частицы при ее соударении с подложкой, имеющей заданную температуру и состояние поверхности.
Указанная проблема является объектом постоянных и интенсивных исследований также в ряде исследовательских групп за рубежом: в Японии (Т. Yoshida, The University of Tokyo, Tokyo), США (R. Neiser, Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico; S. Sampath, State University of New York at Stony Brook, New York), Франции (P. Fauchais, University of Limoges, Laboratory of Ceramic Materials and Surface Treatment, CNRS), Германии (University of Dortmund, Institute of Materials Technology), Канаде (С. Moreau, National Research Council, Industrial Materials Institute).
В работе [2] предложена физическая модель и получено аналитическое решение, описывающее равновесное затвердевание капли расплава оксида металла, при ее растекании на твердой подложке (число Прандтля Рг>1, что соответствует высокой вязкости и низкой теплопроводности материала капли расплава). В модели процесс формирования сплэта состоит из двух стадий: 1) напорного идеального растекания расплава над поверхностью квазистационарного вязкого слоя, вытесняемого движущимся от подложки фронтом затвердевания, с выходом вершины частицы на внешнюю границу вязкого слоя; 2) вязкого инерционного растекания сформировавшегося тонкого слоя расплава, завершающегося встречей фронта затвердевания со свободной поверхностью.
Целью работы являлось: создание модельной автоматизированной плазменной установки для экспериментального исследования процессов формирования сплэтов тугоплавких материалов, широко применяемых в технологии напыления, в условиях полного контроля КФП (скорость, температура, размер микрокапли расплава перед ее соударением с подложкой; температура основы и состояние ее поверхности); практическая реализация нового метода гшнлнремрнной, рыгпуг"~1Г"р"'^'"г'й регистрации in-situ КФП одиночных частиц в запыленной п*в№еНй*ІИ(ггру8Ь&А#)іанного на комбинации
БИБЛИОТЕКА і
3 i?lFZr\
стандартной двухцветовой, а также ірехцвєтовой пирометрии и времяпролетного метода; получение с помощью созданной -экспериментальной установки представительної о набора модечыгмх сплтгов AI2Q3 и ZiCh, осажденных на полированные металлические подложки (нержавеющая сталь; подслой CoNiC'rAlY, напыленный в динамическом вакууме на подложки из никелевого сплава); экспериментальная верификация теоретических основ формирования сплэгов, тестирование известных в литературе зависимости, харакюризующих толщину сплэтв и сіспень деформации каиеть оксидов металлов. Научная новизна. В работе впервые получены следующие научные резучьташ:
-
Создана модельная физическая установка, с помощью которой осуществляется ускорение, нагрев, плавление и выделение из плазменною потока одиночных частиц ту-юнлавких оксидных керамик (А^Оз, 2) с контролем температуры подложки. Па базе модельной установки реализован быстродействующий диагностический комплекс для измерения КФП одиночной частицы непосредственно перед ее соударением с поверхностью подложки, работающий в режиме on-line с компьютером.
-
Для нахождения КФП наїретой в плазменной струе одиночной частицы впервые применена трехцветовая пирометрия в комбинации с времяпролетным методом и специально разработанной вычислительной процедурой, основанной на анализе взаимной корреляции реального и модельної о пирометрических сигналов в сочетании с процедурами оценивания характеристик по МНК
-
Предложенный диагностический комплекс но (водил распгирить возможности и повысим, сочность определения темперагуры частиц, что особенно актуально при измерении параметров частиц полупрозрачных материалов (AI20, Z1O2 и др), когда вынос излучения происходит из всего объема частицы, а измерения проводятся р условиях значительного градиента температуры внутри частицы. Получен набор экспериментальных сплэтов указанных оксидов, осажденных при полном контроле КФП на полированные металлические подложки (нержавеющая сталь; подслой CoNiC'rAlY), а также подложки из кварца.
-
На основе полученных модельных опытных данных проведена верификация указанного выше теоретического решения, характеризующего толщину и диаметр сшп-тов при Рг>1 в условиях их стабильного формирования Показано, чго данное решение хороню согласуется с жеперименюм без введения какого-либо шпирического козффи-циеніа и может быть использовано при теоретическом обобщении опытных данных
Достоверность результатов. Достоверность помученных результатов не вызывает сомнений по следующим причинам:
-- для диагностики КФП дисперсных частиц оксидных керамик в плазменных струях применяются ичвесгные, широко апробированные методы: скоросіи частицы -времяпролетный метод по собсівенному излучению: температуры - методом пирометрии спектрального отношения, а также методом трехцветовой пирометрии; размера частицы - на основе полученного значения ее температуры, а также по рассеянному лазерному излучению в центре гауссовой перетяжки;
проводилось предварительное моделирование диагноешки КФП частиц на основе известных характеристик приемной аппаратуры, а также ее качественная калибровка;
основные результаты работы физически непротиворечивы, качественно и количественно согласуются с разработанной моделью равновесного растекания и затвердевания микрокапли оксида металла на металлической основе;
важным свидетельством достоверности полученных в диссертации результатов является их серьезное обсуждение на ряде международных семинаров, симпозиумов и конференций, а также обсуждение зі их результатов со специалистами в данной области.
Практическая ценность. Выполненный цикл комплексных исследований позволил впервые осуществить экспериментальна теоретическое доказательство одновременною протекания процессов деформации и затвердевания капель металлических оксидов при их соударении с подложкой в широком диапазоне режимных параметров.
Результаты экспериментов по взаимодействию капель оксидов металлов (АІгОз, 2) с подложками положены в основу создания атласа модельных сплэтов и могут использоваться при тестировании различных моделей явления, интерпретации данных ма-териаловедческих экспериментов при изучении покрытий, а также при оптимизации конкретных технологий ГТН. Получетше результаты представляются полезными для проектирования и оптимизации процесса напыления термобарьерных, каталитических и других покрытий из оксидов металлов на различные подложки. Кроме того, они стимулировали развитие комплексного подхода при численном моделировании конкретных технологических процессов плазменного напыления.
Автор защищает:
-
Модельную физическую установку, с помощью которой осуществляется ускорение, нагрев, плавление и выделение из плазменного потока одиночных частиц тугоплавких оксидных керамик (AI2O3, Z1O2) с одновременным контролем температуры подложки.
-
Быстродействующий диагностический комплекс для измерения КФП частицы по ее собственному, а также рассеянному лазерному излучению перед соударением с подложкой, работающий в режиме on-line с персональным компьютером. Измерение КФП частицы основано на комбинации врсмяпролетного метода, цветовой, а также трехцвеговой пирометрии в приближении «серого» тела, что позволяет проводить перекрестную проверку поірешпостей методов в широком диапазоне режимных параметров.
-
Модельные экспериментальные данные, полученные при полном контроле КФП и положенные в основу создания атласа модельных дискообразных сплэтов капель оксидов мегаллов при их стабильном растекании на полированных подложках из нержавеющей стали, сплава СоМіОАІУи кварца.
-
Экспериментальную верификацию тсорстическої о решения двухсгадийной модели стабильного растекания и затвердевания в системе «плотная капля металлического оксида - основа», проведенную на основе анализа и обобщения полученных модельных экспериментальных данных.
Апробация работы- Основные положения рабогы представлялись на следукнцих конференциях и симпозиумах: 13, 14,15, 16 и 17 Между народных симпозиумах по плазмо-химии (Пекин, Китай, 1997; Прага, Чешская республика, 1999; Орлеан. Франция, 2001; Та-ормина, Италия, 2003; Торонто, Канада, 2005), 3 Международном рабочем совещании «Плазмотроны термической плазмы и технологии» (Новосибирск, 1997), 17 Межреспубликанской конференции «Численные методы решения задач теории упругости и пластично ста» (Новосибирск, 2001), Международной конференции по термическому напылению (Базель, Швейцария, 2005) и др.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекг 98-02-17810 на 1998-2000 тт.: «Цикл модельных исследований плазма - микрочастица и микрокапля расплава -поверхность: теория, совместный физический и вычислительный эксперимент»); Сибирского отделения РАН (междисциплинарные интеграционные проекты СО РАН на 1997-5999 гг., проект 28: «Физические процессы на границах раздела при получении гетерогенных материалов и покрытий»; на 2000-2002 п., проект 45: «Разработка пршщилов мезомс-ханики и внутренних границ раздела и конструирование на их основе градиентных конструкционных материалов и многослойных топкопленочных структур для электроники»; на 2003-2005 гг., проект 93: «Разработка пршщилов и технологий создания наноструктурных
состояний в поверхностных слоях и на внутренних границах раздела высокоресурсных конструкционных и функциональных материалов»); Министерства высшего специального образования и РАН (Федеральная целевая программа «Государственная поддержка инте-грации высшею образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы» (ФІЩ «Интеграция >>), Федеральная целевая научно-техническая проірамма «Исследования и разработки но приоритетным направлениям развития на} ки и техники гражданского назначения» (подпроірамма «Новые материалы», раздел: «Компьютерное конструирование высокоресурсных градиентных металлокерамических и композиционных порошковых покрытий конструкционного и функционального назначения, получаемых методами плазменного напыления»); в рамках международного научного сотрудничества между Институтом теоретической и прикладной механики СО РАН и Инсштутами разрушения и надежности Тохо-ку университета (г. Сендай, Япония).
Публикации. 11о теме диссергации опубликовано 15 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из предисловия, трех глав, заключения и списка литературы Полный объем составляеі 173 стр., включая 64 рисунка и 19 таблиц.
Обзор и сравнительный анализ методов измерения скорости, температуры и размера дисперсных частиц в потоках плазмы
Существующие бесконтактные оптические методы измерения ключевых физических параметров (КФП) - скорости, температуры и размера частиц дисперсной фазы в высокотемпературных потоках можно разбить [7,21,22] на: 1) локальные измерения [21-28] и использующие формирование изображения (визуализация) [30-32]; 2) использующие внешний источник оптического излучения (так называемые, активные) и пассивные методы без использования такового. К локальным пассивным методам измерения скорости одиночных частиц относятся времяпролетные методики на основе собственного излучения частиц (пирометрия), а к активным. - прежде всего, лазерно-доплеровская анемометрия (ЛДА) и времяпролетная диагностика скорости на основе лазерного двухфокусного анемометра (Л2Ф - анемометр). Одним из основных преимуществ первого типа диагностики является возможность определения всех КФП частицы на основе анализа формы и амплитуды сигнала в одном или нескольких спектральных диапазонах. В активных методах совмещение измерения скорости и размера частицы обычно реализуется в комбинации ЛДА, а также лазерной фазово-доплеровской анемометрии (ЛФДА). В диагностиках с использованием Л2Ф -метода оценка размера частицы осуществляется по амплитуде сигнала рассеянного лазерного излучения (например, метод малых углов (ММУ) на основе анализа дифракционной составляющей рассеянного на частице вперед лазерного излучения [33]; по излучению, рассеянному назад [27]). В практических реализациях диагностических комплексов в зависимости от целей исследования, режимов напыления, достоинств и недостатков того или иного метода, применяются различные их комбинации. Кроме того, локальные методы позволяют также определить счетную концентрацию частиц в локальной области струи. Данные методы дают наиболее точные оценки искомых параметров. Все это позволяет проводить исследование процесса формирования сплэта (растекшейся и затвердевшей на основе капли расплава) при полном контроле КФП [5, 34-37]. В то же время существенным недостатком таких методов является отсутствие возможности получения оценок КФП вне контрольно-измерительного объема и информации о траекториях движения частиц в струе.
Методы визуализации, как непрерывные [22], так и стробоскопические [31], предназначены в основном для визуального контроля скорости и объемной концентрации частиц, их траекторий и степени прогрева в технологических процессах напыления в рамках промышленного производства покрытий. Измерение скоростей осуществляется с помощью метода наложения последовательных кадров (PIV - particle image velocimetry) и корреляционного анализа полученных треков частиц (время покадровой экспозиции и межкадровой задержки известно). Разработаны также установки, позволяющие оценивать температуру керамических частиц в потоке на основе как двухцветовои [38,39], так и яркостной пирометрии [40]. В [40] реализована визуализация не только потока частиц, но и взаимодействия частиц с подложкой, а таюке роста толщины покрытия. В активных методах визуализации траекторий частиц применяется подсветка на основе лазерной стробоскопии исследуемой области пространства, в основном для оценки доли холодных частиц в общем потоке и влияния рабочих параметров напыления на траектории частиц [31,41,42]. В работах [43,44] предложена гибридная схема диагностического комплекса, совмещающая высокую степень локализации измерения скорости и размера частицы на основе ФДА и двустороннюю визуализацию частицы по затенению (PSI - particle shadow image). Последняя позволяет таюке получать информацию о форме частицы. В [44,45] лазерный нож применяется для визуализации холодных частиц в высокоскоростном газовом потоке, а также наблюдения процессов ввода порошка А1203 в высокотемпературную область плазменной струи. В [44] ЛДА применяется для калибровки PSI метода, а также с помощью видеокамеры отслеживается явление отскока некоторых частиц оксида алюминия от подложки. Основной особенностью существующих методов визуализации, наряду с прочими (высокая степень адаптации к условиям процессов промышленного получения покрытий, компактность, низкая стоимость, легкость в настройке и эксплуатации, высокий темп сбора и обработки данных), является возможность получения статистически усредненных параметров дисперсной фазы в потоке -скорости, температуры, размера и траекторий движения. В то же время, свойства покрытия (микротвердость, пористость, толщина, фазовый состав и др.) определяются параметрами одиночных частиц перед соударением с основой. В пирометрии вклад частиц с высокой температурой в результирующее распределение более весом. Кроме того, нижний порог регистрации температур (порядка 1500 - 1700 К) еще более искажает реальную картину распределения температур частиц в потоке [46]. Свой вклад вносит таюке необходимость учета взаимного влияния распределения частиц по размеру, скоростям и температурам. В статье [47] проводится сравнительный анализ чувствительности четырех серийно выпускаемых диагностических систем для контроля потока частиц при плазменном напылении в зависимости от таких входных параметров процесса как ток дуги плазмотрона, расходы плазмообразующих (Ar-Нг смесь) и транспортирующего порошок газов, а также расхода порошка (Ni-Al). С помощью первой из них - PFI (particle flux imaging) производится запись черно-белых кадров излучения плазмы и светящегося потока частиц на видеокамеру (764x256 пикселов). На снимках выделяются одинаковые по степени серости (интенсивности излучения) области - эллипсы.
Об изменениях указанных выше параметров судят по изменению величин полуосей эллипсов, смещению их центров и углов наклона относительно оси плазмотрона. Основное достоинство данной методики заключается в быстроте сбора и обработки изображений. В основе второй оптической системы DifRef лежит спектроскопия оптического излучения плазмы и материала частиц в диапазоне от 350 до 900 нм (обычно выбирается по паре линий для плазмы и материала частиц) с шагом 0,5-1 нм с помощью фото диодной матрицы. Критерием изменения режима напыления является изменение отношения интенсивностей излучения каждой пары длин воли. Основное преимущество диагностики - быстрота обработки данных и оперативность реагирования на изменения в рабочих параметрах. Установка PlumeSpector на базе высокочувствительной камеры, набора подключенных к ней световодов и приемного устройства позволяет проводить мониторинг таких параметров запыленной струи, как положение максимальной светимости в сечении струи, ее интегральное излучение и геометрические параметры области свечения. Наконец, SDC (Spray and Deposit Control) система состоит из ПЗС (прибор с зарядовой связью) камеры и пирометра, установленного прямо на плазмотрон. Указанное положение пирометра позволило измерять температуру как потока частиц, так и получаемого покрытия. Посредством ПЗС камеры контролировалась интегральная светимость нагруженной порошком плазменной струи в определенном цилиндрическом объеме, которая принималась распределенной по гауссову закону в ее поперечном сечении. Все перечисленные серийно выпускаемые диагностические системы оказались способны отслеживать 5% изменение любого из исследуемых параметров. К перечисленным в предыдущем абзаце недостаткам таких систем, можно добавить отсутствие учета влияния локальных параметров частиц на конечное качество покрытия. В дальнейшем основное внимание при анализе современного уровня диагностики параметров частиц в высокотемпературных потоках будет уделено методам, обеспечивающим высокую степень локализации измерений одиночных частиц. Основные методы измерения скорости частиц дисперсной фазы, применяемые на протяжении более 20 лет, в горячих, в том числе плазменных, потоках можно подразделить на различные вариации методов ЛДА [16,20,26,27,36,48-60], времяпролетный метод лазерной анемометрии на основе анализа сигналов рассеяния при последовательном пересечении частицей двух лазерных гауссовых перетяжек (Л2Ф анемометрия) [25,33,61-64], а также методы, основанные на анализе времени пролета частицей контрольно-измерительной базы (времяпролетный метод по собственному излучению частицы) [23,24,28,29,34,35,65-76].
Существующий уровень реализации диагностических комплексов для измерения основных параметров дисперсной компоненты, анализ погрешностей
Активное исследование процессов, протекающих в присутствии частиц порошковых материалов в потоках термической плазмы, в том числе газотермического напыления, вызвало появление новых и развитие существующих средств и методов диагностики запыленных плазменных струй. Эти методы начинают широко применяться для контроля технологических процессов, предпринимаются попытки установления обратной связи в конкретных технологиях с помощью контроля в реальном масштабе времени одного или нескольких параметров дисперсной компоненты [22,38-40,43-47]. В [ПО] описаны две схемы совпадения, используемых в оптических системах для измерения размера одиночной частицы по абсолютной интенсивности рассеянного вперед под небольшим углом лазерного излучения, а также температуры с помощью двухцветового пирометра. В работе отмечается, что вследствие крупномасштабных пульсаций напряжения самоустанавливающейся дуги в плазмотроне среднеквадратичная погрешность определения температуры частиц оксида алюминия (фракция 65-75 мкм) достигала 478 К при средней температуре потока частиц 2240 К. В [88] описан прибор, позволяющий в реальном времени измерять температуру потока частиц (цветовую и с поправкой на "несерость" излучения), осредненную по ансамблю частиц, находящихся в измерительном объеме. Полученные результаты удовлетворительно согласуются с результатами измерений температуры одиночных частиц и их средних значений в запыленном плазменном потоке при тех же режимных параметрах [26]. Разработанный прибор позволяет отслеживать изменения температуры дисперсной фазы в зависимости от режимных параметров генератора плазмы (величины тока, расхода плазмообразующего газа и т.п.). Для измерения скорости частиц используются лазерные методы измерения: лазер-доплеровский измеритель скорости и времяпролетный двухфокусный анемометр [21,52-55,57,61,62]. Данные методы позволяют локально почастично измерять скорость потока газовзвеси частиц. Кроме того, лазер-доплеровский измеритель позволяет одновременно измерять и размер частиц по разности фаз между LDA-сигналами от двух или более фотодетекторов [52,54]. В статье [112] предложена оптическая диагностика размера и температуры частиц угля, движущихся в реакторе высокого давления по траекториям, отличным от направления движения потока в целом (рис.7(а)). Температура частиц измерялась методом пирометрии спектрального отношения на длинах волн Яі=0,650 мкм и Л2= 1,064 мкм с полосой пропускания 10 нм. Размер частицы оценивается с учетом найденной температуры и пропорциональности мощности излучения частицы ее миделеву сечению.
Зависимость погрешности измерения размера от области локализации измерительного объема, геометрических факторов оптической системы и от размера самих частиц приводит к ограничению возможного диапазона измеряемых размеров частиц по их собственному свечению. На этом основана схема отбора частиц - чтобы сигнал от частицы был допущен к дальнейшей обработке, необходимо, чтобы 1) в нем присутствовала составляющая от опорных оптоволокон; 2) форма сигнала соответствовала прохождению всего изображения частицы через центральное оптоволокно. В работе также учитывается возможность «размазывания» изображения вследствие расфокусировки (максимальная погрешность в определении размера ±6 %). Характерный диапазон температур газа в реакторе - 1000-1700 К, размеры и скорости частиц - 50-200 мкм и 1 -3 м/с, соответственно. Измеряемые температуры частиц варьировались от температуры фона излучения окружающего газа до 2900 К. Пирометр был откалиброван с помощью АЧТ излучателя в диапазоне 1173-1473 К. Точность тарировки составила ±1,5 К. Было получено, что для частиц с температурой выше 1500 К и размером более 50 мкм соответствующие погрешности измерений были менее, чем ±2 и ±15%. Такая высокая точность измерений обусловлена, прежде всего, небольшим отклонением (порядка ±10 %) спектральной излучательной способности от своей средней величины, равной 0,9. За счет уменьшения измерительного объема и упрощения алгоритма обработки сигналов возможно одновременное измерение температуры и скорости частиц при по-частичном их измерении в реальных условиях напыления. Описанный в [73] прибор позволяет измерять температуру и скорость светящихся частиц и их средних по ансамблю значений в реальном времени. Для измерения скорости и цветовой температуры частиц обрабатываются сигналы от светящихся частиц при прохождении их изображения в последовательно расположенных двух узких щелях размером порядка максимального размера частиц. Проведенные в [73] измерения при напылении частиц металлического порошка позволили получить, что время, необходимое для установления стационарного процесса напыления, достигает 4-х минут после начала напыления при постоянных режимных параметрах. Аналогично, в работе [76] измерялась температура поверхности и скорость частиц порошка АІ2О3 фракции 63-75 мкм (расход порошка 3-10 г/мин) при напылении аргоновой плазмой пониженного давления 350-500 торр на различных дистанциях по оси струи. В работе изучались морфологические особенности образованных сплэтов, их размеров и толщин в зависимости от КФП частиц. С точки зрения аппаратурной реализации и обработки экспериментальных данных наиболее просты методы измерения параметров частиц по их собственному тепловому излучению. Сочетание времяпролетиого метода измерения скорости светящихся частиц с пирометром позволяет одновременно сопоставить частице ее осевую компоненту скорости и температуру поверхности. Уместно отметить, данный подход был впервые предложен и практически реализован в работе [65]. При достаточно высоком оптическом и электронном разрешениях диагностической аппаратуры форма сигнала может быть связана также с размером частицы [24,65,68,113]. Вкратце рассмотрим практические реализации приведенных методов измерения параметров одиночных частиц. На рис.8 приводится принципиальная схема экспериментальной установки и диагностической аппаратуры, разработанной в [23].
Расположение в плоскости изображения движущейся частицы специальных диафрагм позволяет получить модулированный пирометрический сигнал, амплитудно-частотные характеристики которого зависят от параметров частиц и щелей диафрагм. На рис.4 представлена такая диафрагма. Выше, в описании методов диагностики, даны метрологические основы этого метода. Температура частиц определяется методом двухцветовой пирометрии (на рис.8 - каналы Я] =0,8 мкм и Л2=0,5 мкм). Канал 13 - подсветка (He-Ne лазер мощностью 5 мВт), предназначенная для локализации (диаметр гауссовой перетяжки 100 мкм). Соответствующие полосы пропускания светофильтров F и F2: ДЛ-і=90 нм и ДА2=50 нм. В качестве фотоприемников применялись охлаждаемые ФЭУ Hamamatsu 928. Установка применялась для диагностики параметров угольных частиц, имеющих примерно тот же фракционный состав, диапазон скоростей и температур, что и в [112]. Схема диагностической аппаратуры, развитой авторами [24,28] приведена на рис.9. В основном оптическом тракте установлены два объектива Li и hj с фокусным расстоянием 250 мм, которые формируют изображение частицы на входной щели монохроматора Jobin-Yvon (HR-320). Размеры щели: высота - 2 мм, ширина - 1 мм. Подсвечивающий пучок Аг лазера диаметром 0,14 мм, сформированный делителем пучка BS, сфокусирован под прямым углом к основной оптической оси. Измерительный объем определяется диаметром лазерного пучка и размерами щели 0,075 мм3. Сигнал, инициированный рассеянным на частице оксида алюминия лазерным излучением на длине волны 3 514 нм, запускает трехканальный АЦП A/D390, записывающий аналоговые сигналы с двух фотодетекторов РМ - на длинах волн Яі=681 нм и 22 583 нм. Далее проводится обработка полученных сигналов: анализируется ширина (длительность) импульса, время его нарастания и спада, амплитуды сигналов в двух длинах волн. В результате можно получить три параметра одиночной частицы - скорость, размер и температура; в отдельном, третьем канале по рассеянному излучению, прошедшему через объектив Ьз с фокусным расстоянием 250 мм, запускается счетчик TSI числа частиц.
Физико-математическая модель виртуального диагностического комплекса
Для оценки излучательной способности воспользуемся анализом поглощательных характеристик сферическими частицами. В [98] показано, что для сферической одиночной частицы, имеющей температуру Тр, закон Кирхгофа для излучения и поглощения имеет вид (12), где Qafoify o-gbsWInRp - фактор эффективности поглощения - безразмерная величина, определяемая как отношение поперечного сечения поглощения ааьц(Х) (отношение доли энергии (мощности), поглощенной частицей, к интенсивности падающего на частицу излучения), имеющего размерность площади, к площади поперечного сечения частицы жКр . Известно, что фактор эффективности поглощения Qabsity сферической частицы зависит от комплексного показателя преломления материала частицы т=п-іц и параметра рассеяния p=2nRp/X и в общем случае описывается теорией Ми. В работе [99], на основе теории Ми, проведен анализ зависимости фактора эффективности поглощения сферических частиц от размера и оптических свойств материала частиц. Приведена зависимость величины Qa/)S от ijp для 10 4 ?; 1, показанная на рис.24, из которой видно, что фактор эффективности поглощения достигает насыщения при rjp \. В области значений Rp где QabsilP) достигает насыщения, частицы излучают как "серое" тело, что позволяет определить истинную температуру частиц по измеренной цветовой температуре. Для металлических частиц ( 0,5) в видимой области спектра условие насыщения выполняется уже при tfp 0,5 мкм. Для окислов металлов в видимой области спектра условия менее благоприятны. Например, для расплавленных частиц А120з (?7 "10 4-10"2) в области интересующих нас размеров (йр 10-50 мкм) будет наблюдаться зависимость QabS от длины волны, что приводит к методической погрешности измерения температуры, величина которой зависит как от температуры частиц (через ] ijiA Tp)), так и от области спектра, в которой проводятся измерения.
Для анализа спектральной зависимости с,Ц/1) частиц А1203 можно воспользоваться аппроксимационными формулами [100,126]. Измерение параметров дисперсной компоненты в запыленных плазменных струях проводится, вообще говоря, опосредствованно и включает допущения методического характера (измерение температуры частиц в приближении "серого" тела; времяпролетныи метод измерения вектора скорости; времяпролетныи либо яркостный метод измерения размера частиц), а также зависит от влияния фонового шума плазмы и собственных шумов регистрирующей аппаратуры. С другой стороны, многочисленные факторы, влияющие на процессы межфазного переноса импульса, тепла и массы в плазменных струях как детерминированно (мощность плазмотрона, расход и состав рабочего газа, материал частиц порошка и их функция распределения по размерам), так и случайно (крупно- и мелкомасштабные пульсации скорости и температуры, пульсации расхода транспортирующего газа и скоростей частиц при их вводе в струю) приводят к значительному разбросу параметров частиц в фиксированном локальном объеме потока [1,2]. Вследствие сказанного, возможный динамичесішй диапазон изменения регистрируемых пирометрических сигналов составляет 104-105, а рассеянного сигнала - 10 -10 . Кроме того, при измерении статистических распределений параметров дисперсной компоненты возможно искажение исходных распределений параметров частиц в плазменном потоке, вследствие методической и инструментальной погрешностей измерения, а также избирательного характера запуска измерительной аппаратуры. Структура программного комплекса Для оптимизации вышеописанной диагностической аппаратуры, анализа методических и аппаратурных погрешностей, корректной интерпретации результатов измерений, а также сравнительного анализа теоретических и экспериментальных исследований поведения частиц в запыленном плазменном потоке развит программный комплекс, позволяющий проводить сквозное моделирование процесса измерения параметров частиц в высокотемпературном потоке. Структура программного комплекса приведена на рис.26. Исходными параметрами являются данные по оптическим свойствам плазмообразующего газа и дисперсной фазы, теоретически полученные распределения параметров частиц Тр, ир, Dp в локальном объеме несущего потока газа, имеющего температуру 7 (Блоки 1-3). Кроме того, задаются параметры, характеризующие собственно диагностический комплекс - геометрия двухщелевой диафрагмы, полосы пропускания светофильтров, характерные размеры контрольно-измерительного объема и т.д. Первоначально моделируется процесс попадания частицы с заданными параметрами Тр, ир, Dp в область лазерной перетяжки, исходя из априорной информации об их возможных диапазонах изменения (Блок 4), и рассчитывается уровень мощности рассеянного частицей излучения (Блок 5). Расчет мощности фонового излучения плазмы в спектральной области излучения лазера /Ц (Блок 6) позволяет оценить минимальный уровень рассеянного сигнала от частиц, попавших в область лазерной перетяжки, для которого возможна их регистрация.
Сравнение мощности рассеянного частицей излучения с величиной уровня шума фонового излучения проводится с помощью дискриминатора при запуске измерительной аппаратуры с целью устранения ложных запусков, связанных с наличием фонового шума. При сравнении возможна потеря информации о частицах, для которых уровень рассеянного сигнала, в зависимости от параметров частицы и точности попадания в область лазерной перетяжки, будет близок к уровню фонового шума. Найдем значения тока фотокатодов ФЭУЬ ФЭУ2 и ФЭУз. Обозначим через 8(A) величину спектральной чувствительности фотокатода, [А/Вт]. Будем считать, что в области спектра [Ai- S"(A)=S(A2)=const в спектральном диапазоне [АгДАг +ААг]; аналогично s(X,T) s(X T) const и S"r(A)=S(X-$-const в спектральном диапазоне [13-АЯ3;13+АЯ3]. Тогда значения токов фотокатодов ФЭУЬ ФЭУ2 и ФЭУ3 есть: Величина зашумленности сигнала Помимо полезного сигнала, в выходной цепи приемника излучения (ФЭУ) наблюдается хаотический шум со случайной амплитудой и частотой. Причины возникновения шума тока ФЭУ, согласно [134], могут быть внешними и внутренними - это воздействие тепла, фотонный характер излучения источников, природа тока ФЭУ и т.д. Выделим основные источники шумов, характерных при регистрации излучения нагретых частиц на фоне свечения плазмы: 1. Радиационный (фотонный) шум, возникающий из-за флуктуации потока квантов, попадающих на фотоприемную площадку от фона, т.е. свечения плазмы в сплошном спектре. Согласно [135], среднеквадратическое отклонение (&Р)2Р.ш. мощности излучения, исходящего из объема AV плазмы и попадающего на ФЭУ можно оценить выражением где Р - среднее значение мощности излучения фона (плазмы); =l,38-10 2j [Дж/К] -постоянная Больцмана; Tpi - температура плазмы; А/ - полоса пропускания, обратно пропорциональная времени дискретизации сигнала. При регистрации излучения приемником (ФЭУ) данному шуму эквивалентен радиационный шум тока фотокатода ФЭУ, среднеквадратическое отклонение которого, с учетом спектральной чувствительности фотокатода 5д [А/Вт], описывается выражением [134]: (Дг)рШ. =Sl -(AP)2p!ll . Радиационный шум имеет равномерный спектр (белый шум) [134]. 2. Дробовой шум определяется тем, что электрический ток обусловлен потоком выбиваемых с фотокатода электронов, флуктуирующих во времени. Согласно [134] среднеквадратическое отклонение тока фотокатода ФЭУ, вследствие дробового шума, в полосе Д/описывается выражением: где /л /0+/ф - среднее значение суммарного тока с фотокатода (i0 SxPa - ток, определяемый излучением частицы; i =S P - ток, определяемый излучением фона); е=1,б-10" [А-с] - зар5ід электрона; (1+5)=2,5 - коэффициент, учитывающий дробовой шум динодов ФЭУ данного типа.
Комплексное исследование формирования сплэтов из компактных частиц металлических оксидов
При плазменном напылении, также как и в ряде других технологий (электродуговая металлизация, газопламенное и детонационное напыление и т.п.), возможны следующие четыре базовых сценариев взаимодействия капли расплава с основой [154], реализующихся на стадии напорного растекания капли в зависимости от значения температуры Гсо, устанавливающейся в контакте между частицей и подложкой (рис.45): (1) - растекание и одновременное затвердевание капли на твердой поверхности основы; (2) - растекание, одновременное затвердевание капли и частичное подплавление основы в пятне контакта ее с частицей; (3) - растекание жидкой частицы, сопровождающееся одновременным подплавлением основы, и их последующее охлаждение и затвердевание; (4) - растекание жидкой частицы по твердой поверхности основы и последующее охлаждение и затвердевание растекшегося слоя с одновременным сворачиванием пленки расплава. Здесь и ниже: 9=Т/Трт - безразмерная температура; индексы р и 6 соответствуют частице и основе, в то время как индексы V и / отвечают твердому и жидкому состояниям материала; дополнительный нижний индекс т характеризует параметр соответствующего материала при его температуре плавления. Обозначим zp, Q Е, - соответственно текущая координата вершины деформирующейся капли, а также координаты фронта затвердевания частицы и плавления основы; &со - безразмерная контактная температура, не учитывающая теплоту возможных фазовых переходов, Зс0=($ра+К3Ь0)/(\ + К ). Здесь К ь р) =A fJJa f - критерий тепловой активности материала подложки к материалу частицы; а{ = ар 1/ар - отношение кинематической температуропроводности расплава арпт к той же физической величине а п для материала частицы в твердом состоянии при температуре Трт плавления материала частицы. При рассмотрении отдельных сценариев данная температура подлежит коррекции с учетом возможных фазовых переходов. Если при анализе какого-либо сценария обнаруживается, что уточненная контактная температура &с не удовлетворяет первоначально выбранному сценарию, то осуществляется смена сценария в соответствии с рис.45.
Для каждого из перечисленных выше вариантов возможны два характерных режима теплообмена расплава с твердой стенкой (поверхностью фронта затвердевания %(r,t) частицы или подложкой z=0) в зависимости от величины отношения толщин динамического и теплового пограничных слоев в натекающем расплаве, которое, в первом приближении, можно оценить как 8vl5a -f?i, где число Прандтля Pr = juplc{pl /Л(р1 рассчитывается при температуре плавления материала частицы. Здесь №% c plA% динамическая вязкость, удельная теплоемкость и теплопроводность расплава при температуре плавления, соответственно. В таблице 13 приведены значения чисел Прандтля для ряда металлов и оксидов. Очевидно, что описание процессов кондуктивно-конвективиого теплообмена между металлическим расплавом и расплавом оксида с твердой стенкой должно основываться на двух различных модельных подходах. Для этого исследуется осесимметричиое, неизотермическое, нормальное к подложке растекание расплава в окрестности точки торможения. При этом рассматривается только переходный период, отвечающий времени деформации капли. В случае относительно высокой вязкости и низкой теплопроводности расплава (Рг 1) тепловой пограничный слой, в котором температура по нормали от стенки изменяется от Трт до Тро, утоплен в вязком пристеночном течении. Над последним, при достаточно больших числах Рейнольдса и Вебера реализуется течение, близкое к идеальному растеканию жидкости с начальной температурой Тро капли до соударения с подложкой (ввиду относительной малости, пренебрегаем излучением со свободной поверхности). Следовательно, закономерности теплообмена в данном случае полностью определяются гидродинамическими особенностями течения в вязком подслое, и необходимо рассматривать модельную задачу о теплообмене вязкой жидкости, нормально натекающей на изотермическую стенку. При построении физической модели формирования сплэта (растекшейся и затвердевшей частицы) при Рг 1 используются следующие допущения [143]: 1. Переохлаждение расплава ниже температуры плавления Трт частицы отсутствует, т.е. затвердевание капли протекает в равновесных условиях. 2. Теплофизические свойства материалов частицы и подложки не зависят от температуры. 3. Предполагаем, что на границе раздела частица - основа реализуется идеальный контакт. 4. Подложка является полубесконечным телом. Можно показать, что в течение формирования сплэта глубина теплового возмущения подложки составляет величину, не более диаметра капли. 5. При растекании и затвердевании капли температура в контакте затвердевающий слой - подложка постоянна. 6. В условиях газотермического напыления характерные значения чисел Реинольдса и Вебера достаточно велики (Rs = Dpupo/v l \QQ, W& = pi,Dpu2po/ j $l W0, где vpll - кинематическая вязкость расплава при температуре Трт плавления материала частицы; ppll,cr{pl - плотность и коэффициеит поверхностного натяжения расплава), что позволяет на стадии растекания капли пренебречь силой поверхностного натяжения. Последняя начинает играть существенную роль лишь на конечной стадии формирования сплэта и ответственна, прежде всего, за формирование морфологии его периферийной области (валик, пальцы, частичное обратное сворачивание и т.п.). 7.
При определении толщины сплэта в окрестности точки торможения (2r Dp), будем считать достаточно обоснованным допущение об одномерности процессов нестационарного сопряженного теплообмена в системе частица - подложка, включая фазовые превращения. При такой постановке толщина сплэта hs более жестко связана с КФП взаимодействия и теплофизическими свойствами рассматриваемой пары материалов, и для указанного диапазона чисел Реинольдса и Вебера практически не зависит от процессов, протекающих на периферии растекающейся частицы (2r Dp). Диаметр же сплэта будем определять с учетом найденной толщины, исходя из баланса массы частицы до и после соударения и считая, что окончательная форма сплэта близка к цилиндрической. 8. В процессе растекания и затвердевания капля может быть разбита на две зоны: внешнего потенциального течения и внутреннего приповерхностного вязкого квазистационарного слоя с эффективной толщиной дкф 9. Формирование керамического сплэта протекает в два этапа: 1) стадии идеального растекания капли, затвердевающей от поверхности подложки, в течение которой ее вершина движется с постоянной скоростью про до момента встречи с внешней границей вязкого слоя; 2) стадии вязкого растекания, начинающейся сразу же после первой стадии и завершающейся в момент встречи фронта затвердевания со свободной границей вязкого слоя. 10. Будем предполагать, что в любой момент времени распределение температуры в сечении затвердевающего слоя квазистационарно, т.е. температура в слое линейно распределена в интервале [Тс; Трт]. И.Поскольку при газотермическом напылении скорость затвердевания us=hs/ts капли существенно меньше характерной скорости иро ее деформации, при получении приближенного решения для теплового потока от нормально натекающего расплава к фронту равновесного затвердевания не будем учитывать движение межфазной границы. Действительно, поскольку hs«Dp, a ts Dp/upo, имеем us«upo. При получении приближенного решения для первого сценария, наиболее распространенного в ГТН, характеризующего деформацию и затвердевание капли расплава оксида металла на твердой подложке, последовательно рассматриваются две стадии: напорного идеального растекания расплава над поверхностью квазистационарного вязкого слоя, вытесняемого движущимся от подложки фронтом затвердевания (рис.46,а), завершающегося выходом вершины частицы на внешнюю границу вязкого слоя (рис.46,5); последующего вязкого инерционного растекания сформировавшегося тонкого слоя расплава, завершающегося встречей фронта затвердевания со свободной поверхностью (рис.46,е).
