Введение к работе
Актуальность темы исследований.
Плазменное напыление - прогрессивный технологический процесс іанесения защитных покрытий, при котором материал покрытия в виде торошка или распыляемой проволоки вводится в плазменную струю, где эн интенсивно нагревается и плавится, распыляется и транспортируется к подложке, при взаимодействии с которой эбразуется покрытие. Долгое время с момента своего появления эта технология развивалась эмпирически. Интенсивное развитие плазменного напыления усилило' интерес к исследованию процессов переноса импульса и тепла в запыленных плазменных струях, т.к. из-за очень незначительного времени пребывания частиц в зоне интенсивного нагрева и ускорения СЮ" -10* сЭ точное знание скорости переноса количества движения и тепла к частицам является основным требованием - для оптимизации режимов плазменного напыления. Поэтому с начала 80-х гг. предпринимаются значительные усилия по моделированию и экспериментальным исследованиям поведения частиц конденсированной дисперсной фазы СКД"Ю в плазменных струях.
Многообразие факторов, широкий диапазон изменения режимных параметров, чрезвычайная сложность межфазного энерго- и массо-обмена, стохастический характер процессов, характеризующих высокотемпературные запыленные струи, настоятельно требовали развития комплекса современных методов диагностики для измерения наиболее важных параметров частиц КДФ Сскорость, температура}, работающих на линии с ЭВМ.
Кроме того, широкое практическое использование и дальнейшее расширение сферы применения плазненного напыления существенно сдерживалось низким уровнем автоматизации и отсутствием устройств контроля технологического процесса, что зачастую не позволяло обеспечить таких важных требований, предъявляемых к любой технологии, как повторяемость и контролируемость процесса, лежащего в ее основе.
Цель диссертационной работы - исследование особенностей лазерной диагностики в турбулентных плазменных струях. Создание аппаратуры для измерения скорости, размера и концентрации частиц КДФ в плазменной струе и проведение экспериментальных исследований
- ' 1
параметров частиц в струе плазмотрона для напыления.
Научная новизна работы состоит в следующей : 1.Создан лазерно-оптический комплекс для диагностики дисперсных частиц, включающий в себя лазерный дифракционный анализатор дисперсности на основе метода малых углов СМГОО, комбинированный времяпролетный двухфокусный анемометр CL2F3, лазерно-доплеровский измеритель скорости СЛДИСЭ с пряный спектральным анализом, что позволяет проводить диагностику всех стадий обработки частиц КДФ в запыленных плазменных струях.
2.Впервые проведены экспериментальные исследования особенностей и возможностей использования в турбулентных плазменных струях метода малых углов СММУ2, времяпролетной двухфокусной анемометрии CL2FD, лазерно-доплеровской анемометрии СЛДАЭ с прямым спектральный анализом. Доказана работоспособность и перспективность использования L2F и ЛДА с прямым спектральным анализом дл? диагностики и контроля параметров КДФ в турбулентных плазменныэ струях.
Применительно к ММУ показано,' что углы отклонения лазерногс пучка из-за тепловой турбулентности могут быть одного порядка t углами рассеяния на крупных частицах С10" -10" радЗ.
Применительно к L2F анемометрии показано, что вследствш случайных отклонений ' лазерного пучка на теипературны: неоднородностях струи возможны случайные изменения расстояни: между перетяжками, что может привести к погрешности определена скорости отдельных частиц в 5^-10. 3.Предложено использовать ряд статистических критерие
Схарактеристические средние диаметры D , критерий согласия х
коэффициент корреляции p'J для анализа алгоритмов восстановлени ММУ. В результате численных экспериментов получены количественны данные по точности и устойчивости различных алгоритма восстановления.
4.Предложена и ~ реализована оригинальная конструкци времяпролетного двухфокусного анемометра CL2F3, предполагайте сопряжение в едином приемно-передающем оптическом тракте пирометром спектрального отношения, что позволяет проводит одновременное измерение скорости и температуры частиц, а такї прямые измерения эффективности обработки дисперсных материалов. 5.Предложен оригинальный метод определения вектора скорое светящихся частиц, который заключается в том, что изображен!
частицы проецируется на специальную кодовую диафрагну, состоящую из запускающей точечной диафрагмы Содин канал регистрации} и двух щелей, одна из которых расположена по окружности с центрон в точке запуска, другая - по ее хорде. Время пролета частицы до этих щелей даст соответственно модуль вектора скорости и его проекцию на некоторое выбранное направление.
6.Проведенные исследования особенностей нагрева и ускорения частиц А1 О в турбулентной струе напылительного плазмотрона с самоустанавливающейся длиной дуги свидетельствуют о том, что в характерной пятне напыления присутствуют частицы, находящиеся в существенно различных агрегатных состояниях, причем относительное содержание частиц того или иного типа изменяется по сечению пятна в широких пределах. Показано, что динамика перемещения анодного пятна дуги, разброс параметров инжектируемых частиц оказывают существенное влияние на статистический разброс скоростей и тенператур частиц в плазменной струе.
Научная и практическая ценность работы определяется тем, что: і. Разработанный комплекс диагностической аппаратуры предоставляет широкие возможности в проведении фундаментальных и прикладных исследований в области плазмодинамики струйных дисперсных систем; 2. Использование предложенных статистических критериев Схарактеристические средние диаметры D , критерий согласия х коэффициент корреляции р Э позволяет количественно оценивать точность и стабильность алгоритмов восстановления ММУ, что дает возможность обоснованно подходить к выбору методов восстановления Функции распределения fCD3;
3.Комбинированный L2F анемометр, метод определения вектора скорости светящихся частиц можно рекомендовать для диагностики и контроля параметров частиц КДФ в высокотемпературных технологиях с участием дисперсной фазы;
4.Проведенные исследования вскрывают недостатки обработки КДФ в струях плазмотронов с самоустанавливающейся длиной дуги и односторонним вводом дисперсного материала: низкий коэффициент использования материала, существенная неравномерность температурных, скоростных и концентрационных полей частиц КДФ. 5.Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации технологии напыления плазмотроном РП-6.
Научные положения, выносимые на защиту.
1.Система диагностики параметров частиц КДФ, включающая в себя лазерный дифракционный анализатор дисперсности'на основе ММУ, комбинированный L2F анемометр, ЛДИС с прямым спектральным анализом.
2.Комплекс математического и программного обеспечения ММУ. Статистический подход к анализу алгоритмов восстановления и численные исследования используемых алгоритмов.
3.Метод одновременного определения модуля вектора скорости и направления движения светящихся частиц.
4.Результаты исследований особенностей лазерной диагностики в турбулентных плазменных струях.
5.Результаты исследований характерных особенностей обработки частиц КДФ в струе плазмотрона с самоустанавливающейся длиной дуги и односторонним вводом дисперсного материала.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы докладывались на 2-й Всесоюз. конф. молодых исследовотелей. "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" СНовосибирск, 19873; 1th Int&rn. conf. on mechanics CPraha, 1987}; 1-м Всесоюз. семинаре "Оптические методы исследования потоков"" СНовосибирск, 19893; Thermal Spray Conference *90 CTS '903 CEssen. FRG, 19903; Intern. Workshop "Plasma Jets in Development of New Materials Technology" CFrunze, USSR, 19903; 1-й Всесоюз. конф. "Оптические методы исследования потоков" СНовосибирск, 19913; 10th Intern. Symposium on Plasma Chemistry CISPC '103 CBochurn, FRG, 19913.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах.
Объем й структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 102 наименований. Содержание работы изложено на 146 страницах текста, включая 38 рисунков и 13 таблиц.
