Введение к работе
Использование импульсных электротермических ускорителей для ускорения микрочастиц порошковых материалов с целью нанесения покрытий на поверхность различных изделий обладает рядом преимуществ перед традиционно используемыми аналогами, такими как детонационные установки, плазмотроны и газопламешгые установки. В частности, электротермические ускорители позволяют провести ускорение микрочастиц до существенно более высоких скоростей, что способствует более прочным связям между покрытием и основой, при этом не требуется предварительная специальная термическая и механическая обработка подложки. Отсутствие горючих смесей для работы электротермического ускорителя позволяет обойтись без специальных взрывобезопасных помещений, а ускорение микрочастиц может быть проведено в контролируемой по составу и давлению среде. Установку отличают малые габариты, простота конструкции и обслуживания, экологическая чистота.
Первые работы по применению импульсных плазменных ускорителей для нанесения покрытий из порошковых материалов появились в конце семидесятых годов, когда была показана принципиальная возможность даннсго способа напыления. Однако весьма большая величина разрядных токов, а также низкая электрическая эффективность пракгнческн исключали использование подобных ускорителей в частотном режиме.
Новые результаты в области применения импульсных плазменных ускорителей для нанесения покрытий из порошковых материалов были получены в начале девяностых годов. Прежде всего, это касалось разработки физических моделей и проведения экспериментальных исследований ускорителей, которые
позволили провести анализ динамики потоков и ускорения микрочастиц. Ос-
новным результатом этих работ явилась показанная возможность создания про-
ч мышленной установки, основанной на ускорении микрочастиц в плазменном
потоке, формируемом в электротермическом ускорителе. Вместе с тем подоб-
ный способ ускорения характеризуется рядом существенных недостатков, среди
которых надо отметить быстрый неконтролируемый нагрев микрочастиц вплоть
до температуры испарения их материалов. Это влечет за собой невозможность
ускорения мелкодисперсных порошковых материалов, малые скорости ускоряемых микрочастиц по сравнению со скоростями потока. Отсутствие возможности в данном способе ускорения независимого управления тепловым состоянием и скоростью микрочастиц ограничивает его применение в ряде перспективных технологий. Данное положение определило необходимость выбора нового способа ускорения, который должен обеспечивать возможность ускорения микрочастиц до высоких скоростей с сохранением контроля их теплового состояния. Подобная задача предполагает решение целого ряда проблем, связанных с исследованием структуры и измерением параметров формируемых потоков, исследованием динамики ускорения микрочастиц в стволе ускорителя и динамики их распространения в пространстве между срезом ствола и подложкой.
В результате проводимых работ был предложен новый способ ускорения микрочастиц областью ударно-сжатого газа, формируемой в головной части потока, а также формирования этой области с использованием мультиразрядной схемы разрядного узла. Диссертация посвящена решению вопросов, связанных с возможностью реализации данного способа ускорения.
Целью диссертации является: исследование структуры потоков и выбор наиболее эффективного режима ускорения микрочастиц; анализ динамики микрочастиц различных материалов в стволе ускорителя, а также в пространстве между срезом ствола н подложкой; создание экспериментальных образцов ускорителей; исследование различных схем и характеристик разрядных узлов ускорителей; экспериментальное исследование структуры формируемых потоков и определение их лараметров.
Научная новизна работы заключается в следую'шем.
Впервые предложен способ ускорения микрочастиц порошковых материалов об. остью ударно-сжатого газа, формируемой головной ударной волной в стволе электротермического ускорителя. Установлено, что данный способ дает возможность в несколько раз повысить скорость микрочастиц, осуществить контроль над процессом их нагрева.
**
Впервые предложено формирование области ударно-сжатого газа для ускорения микрочастиц посредством пространственно-временного профилирования ударной р-оліш за счет использования шультнразрядных схем разрядного узла электротермического ускорителя. Показана возможность увеличения размеров ускоряемых микрочастиц с сохранением высоких значений их скоростей, а также возможность осуществлять практически независимое регулирование скорости и температуры нагрева-микрочастиц, что открывает большие возможности в технологических применениях.
Впервые установлено, что выбором соответствующего расстояния от среза ствола до подложки возможно избежать потерь скорости микрочастиц в пространстве за срезом ствола, а также сохранить их температурное состояние.
Практическая ценность. Полученные в работе результаты позволяют создать промышленную установку на основе импульсного электротермического ускорителя по нанесению покрытий из порошковых материалов, которая может реализовать технологии нанесения покрытий с уникальными свойствами. При этом скорость микрочастиц может составлять величину, превышающую 2 км/с. Установка сравнительно легко адаптируется к ускорению микрочастиц различных материалов и размеров и может проводить ускорение в произвольной по составу и давлению среде, в том числе при атмосферных условиях. Ввиду отсутствия продуктов сгорания горючих смесей данные установки позволяют получать покрытия с высокой степенью химической чистоты.
На защиту выносятся. ,
-
Способ ускорения микрочастиц порошковых материалов низкотемпературной областью ударно-сжатого газа потока в электротермическом ускорителе.
-
Результаты анализа формирования области ударно-сжатого газа и критерии устойчивого ускорения микрочастиц в этой области.
-
Результаты анализа формирования области ударно-сжатого газа с использованием мультиразрядной схемы разрядного узла в ускорителе.
-
Результаты анализа динамики потоков, процессов ускорения и нагрева микрочастиц порошковых материалов в электротермическом ускорителе с мультиразрядной схемой построения разрядного узла.
-
Результаты анализа динамики потоков и движения частиц в пространстве между срезом ствола и подложкой.
-
Результаты экспериментального исследования характеристик разрядных узлов электротермического ускорителя.
-
Результаты исследования структуры сформированных потоков в электротермическом ускорителе.
-
Результаты экспериментального исследования характеристик потоков в электротермическом ускорителе.
Достоверность научиї'.х результатов подтверждается сравнением результатов расчетоз с использованием разработанных -моделей с многократно повторенными экспериментальными измерениями различных параметров ускорителя и формируемых потоков, дублированием, измерений посредством использования различных экспериментальных методик.
- Апробаций работы. Основные результаты и положения диссертации были предстаглены на следующих симпозиумах и конференциях: The 6th European Symposium on electromagnetic launch tecluiology, the Hague, Netherlands, 25-28 May, 1997; The 11th IEEE International Pulsed Power Conference, Baltimore, Maryland, June 29 - July 2,1997; Научная сессия МИФИ-98, Москва, МИФИ, 19-23 января 1998г.; The 6th International Conference on the Science of Hard Materials ICSHM-6, Lanzarote, Spain, March 9-14, 1998; The 9-th Electromagnetic Launch Symposium EML-98. Edinburgh, Scotland, UK, May 13-15, 1998.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 8 работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего ПО источников. Общий объем работы 130 страниц, из них 107 страниц основного текста, 66 рисунков, 4 таблицы.
