Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 7
1.1. Способы получения металлических порошков 8
1.1.1. Химические методы получения металлических порошков 8
1.1.2. Механические методы получения металлических порошков 9
1.1.3. Физические методы получения металлических порошков 10
1.2. Плазменные процессы для получения
и обработки металлических порошков 11
1.2.1. Плазменные процессы для получения
металлических порошков 12
1.2.2. Плазменные процессы для обработки
дисперсных материалов 18
1.3. Анализ процесса плазменного распыления пруткового материала... 20
2. Особенности плазменного распыления пруткового материала 31
2.1. Процесс образования частиц при плазменном распылении 33
2.1.1. Регулирование характеристик плазменной струи на срезе сопла плазмотрона 33
2.1.2. Определение характеристик образующихся капель 36
2.2. Анализ процессов движения и теплообмена частиц в плазменном потоке 40
2.2.1. Движение частиц в плазменном потоке 41
2.2.2. Теплообмен частиц с плазменным потоком 44
2.3. Анализ процессов движения и теплообмена частиц
в окружающей среде 47
2.3.1. Движение частиц в окружающей среде 47
2.3.2. Теплообмен частиц с окружающей средой 49
3. Исследование процесса плазменного распыления в камере с противо-потоком 51
3.1. Влияние технологических параметров процесса на свойства плазмен ной струи и сжатой дуги 51
3.2. Влияние технологических параметров процесса на дисперсность распыления, начальную, скорость и температуру капли 60
3.3. Движение и теплообмен капли в плазменной струе 64
3.4. Движение и теплообмен капли в окружающей среде 67
3.5. Процессы движения и теплообмена частиц в противопотоке 71
4. STRONG Разработка технологии и оборудования плазменного распыления
пруткового материала STRONG 78
4.1. Конструкция и принцип работы установки распыления пруткового материала 78
4.2. Конструкция узлов установки 83
4.2.1. Конструкция блока распыления 83
4.2.2. Конструкция устройства токоподвода 86
4.2.3. Конструкция камеры распыления 88
4.3. Параметры плазменного распыления материалов 93
4.3.1. Определение параметров плазменного распыления проволоки из низкоуглеродистой стали 93
4.3.2. Определение параметров плазменного распыления проволоки из нержавеющей стали 95
4.3.3. Определение параметров плазменного распыления проволоки на основе титана 99
4.3.4. Определение параметров плазменного распыления медной проволоки 102
4.4. Анализ теоретических и практических результатов плазменного рас
пыления пруткового материала 103
Общие выводы по работе 107
Список литературы
- Механические методы получения металлических порошков
- Определение характеристик образующихся капель
- Влияние технологических параметров процесса на дисперсность распыления, начальную, скорость и температуру капли
- Определение параметров плазменного распыления проволоки из низкоуглеродистой стали
Введение к работе
Актуальность работы. Плазменные процессы находят все большее применение в сварке и родственных технологиях. Сжатая дуга и плазменная струя оказывают повышенное тепловое и силовое воздействие на зону обработки, что для ряда технологий дает дополнительные преимущества.
В настоящее время большой интерес у ученых и производственников вызывают исследования и практическое использование новых комбинированных технологий с использованием плазменного источника энергии. В частности, большие перспективы ожидаются в области использования сжатой дуги и плазменной струи при получении и применении металлических порошков. Плазменные технологии позволяют производить металлические порошки заданного гранулометрического и химического состава, возможно получение порошков из тугоплавких материалов. Оборудование для генерации плазмы характеризуется простотой и надежностью.
В современных условиях применения металлических порошков требования к ним и объем партий выпускаемых изделий из заданных порошковых материалов постоянно меняются. Поэтому повышение гибкости производства металлических порошков, снижение стоимости, расширение номенклатуры как по химическому, так и гранулометрическому составу является актуальной задачей.
Цель и задачи работы. Цель работы - разработка теоретических и технологических закономерностей плазменного распыления пруткового материала в камере с противопотоком для получения металлических порошков заданного гранулометрического состава с необходимой формой частиц и создание на их основе оборудования для реализации процесса.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
установить закономерности формирования размеров и формы частиц металлических порошков на стадии плазменного распыления;
изучить процессы тепломассопереноса при образовании, движении металлических частиц в плазменном потоке и за его пределами, при ускорении и торможении частиц;
разработать алгоритм управления процессом получения металлических порошков с регулируемым гранулометрическим составом;
разработать технологические процессы и мобильное оборудование для получения металлических порошков заданного гранулометрического состава плазменным распылением.
Методы исследования. Основные задачи работы решались аналитически с последующей экспериментальной проверкой. Процессы образования частиц, процессы движения и теплообмена частиц со средой, протекающие при плазменном распылении пруткового материала, определялись при помощи математического аппарата. Процессы движения частиц оценивались экспериментально; процессы теплообмена частиц с плазмой и средой - методом калориметрирования. Определение гранулометрического состава порошков производилось ситовым анализом.
Научная новизна работы:
впервые предложено математическое описание процесса плазменного распыления пруткового материала плазмотроном с комбинированной подачей газов при действии противопотока среды, позволяющее установить параметры противопотока, обеспечивающие отсутствие слипания частиц при снижении длины пролета;
показано влияние противопотока среды на движение и теплообмен частиц, установлены закономерности определения параметров противопо- тока среды, зависящих от размера и свойств материала частиц;
изучены закономерности формирования размера и формы металлических частиц при плазменном распылении пруткового материала плазмотроном с комбинированной подачей газов, позволяющие выявить взаимосвязь характеристик сжатой дуги на выходе из плазмотрона с размером образующихся частиц при плазменном распылении пруткового материала.
Практическая значимость работы:
разработана методика расчета процессов диспергирования, движения и теплообмена частиц при плазменном распылении пруткового материала, позволяющая выявить рациональные технологические режимы процесса;
экспериментально подтверждена возможность управления процессами движения и теплообмена частиц воздействием противопотока среды;
определены рациональные режимы процесса плазменного распыления пруткового материала плазмотроном с комбинированной подачей газов для получения металлических порошков на основе меди, титана и высоколегированных сталей;
разработан и создан комплекс мобильного оборудования для плазменного распыления пруткового материала.
Работа выполнена в рамках тематического плана по заданиям Минобразования России и НТП, финансируемого из средств федерального бюджета Рособразованием (Минобразованием России) 1.31.11 «Исследование влияния электрических, тепловых и газогидродинамических условий на процесс получения металлических нанопорошков с заданными свойствами с использованием плазменных технологий» (гос. регистрация № 01201168144). Результаты работы используются в ОАО «Плазмек» (г. Москва).
На защиту выносятся:
теоретическое описание процесса плазменного распыления пруткового материала при действии противопотока среды;
закономерности влияния технологических параметров плазменной струи на размер получаемых металлических порошков;
закономерности влияния противопотока среды на процессы движения и теплообмена частиц;
конструкция камеры плазменного распыления пруткового материала с противопотоком газовой среды.
Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования представлены на следующих конференциях и конкурсах: всероссийская ежегодная научно-техническая конференция молодых специалистов НПО «Искра», г. Пермь, 2011; всероссийская научно-практическая конференция «Молодежный инновационный форум 2011 Приволжского Федерального округа», г. Ульяновск, 2011; конкурс грантов по проекту «Инновационное внедрение - школа успеха молодежи», г. Москва, 2011; всероссийский конкурс докладов «Студенты, аспиранты и молодые ученые - малому наукоемкому бизнесу - Ползуновские гранты», г. Барнаул, 2011; всероссийская молодежная научно-техническая интернет-конференция «Новые материалы, наносистемы и нанотехнологии», г. Ульяновск, 2010; открытый всероссийский конкурс по поддержке высокотехнологичных инновационных молодежных проектов при поддержке некоммерческого партнерства «НАИРИТ», г. Москва, 2010.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 публикаций в журналах из списка, рекомендованного ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационное исследование состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературы. Диссертация изложена на 127 страницах, в том числе содержит 55 рисунков, 6 таблиц, список литературы включает 162 наименования.
Механические методы получения металлических порошков
Способ изготовления металлического порошка в значительной мере определяет его качество и себестоимость. Промышленные методы получения порошков условно делят на физические, химические и механические. Основные свойства металлических и неметаллических порошков регламентируются ГОСТ и ОТУ. Металлические порошки принято характеризовать химическими, физическими и технологическими свойствами. Основными из них являются: форма и удельная поверхность частиц, химический и фазовый состав [8, 9]. Постоянное изменение номенклатуры и качества изделий сопровождается различными требованиями к свойствам порошков [10, 11]. Для обеспечения всех потребностей производства процессы получения металлических порошков усложняются, создаются новые, также вводятся дополнительные процессы химической, термической, механической обработки.
Химические методы получения металлических порошков включают различные реакции и процессы, в том числе процессы осаждения, термического разложения или пиролиза, газофазных химических реакций, восстановления, гидролиза, электроосаждения [12, 13]. Регулирование скоростей образования и роста зародышей новой фазы осуществляется за счет изменения соотношения количества реагентов, степени пересыщения, а также температуры процесса. Как правило, химические методы многостадийные, они включают некий набор из вышеперечисленных процессов и реакций.
Химическим восстановлением из оксидов получают порошки Fe, Си, Ni, Со, W, Мо, Ті, Та, Zr, U, Ag, Аи, других металлов, неметаллов и их спла BOB (карбиды, бориды и др.) [14]. Химическим восстановлением соединений металлов из водных растворов получают высококачественные металлические порошки [15]. Форма частиц может быть самой разнообразной: дендритной, округлой и др. Получение порошков Си, Ni, Fe, Ag, Та, Ті, Zr, Fe возможно электролизом водных растворов или расплавленных солей металлов. В промышленных масштабах диссоциацией карбони лов производят порошки Ni, Fe, Со, Cr, Mo, W и некоторых металлов платиновой группы со сферической формой. Термодиффузионным насыщением производят порошки латуни, сплавов на основе хрома, высоколегированных сталей. Межкристаллитной коррозией получают порошки хромоникелевых сталей. Порошки, полученные испарением и конденсацией [16-19], являются тонкодисперсными и содержат большое количество оксидов. Изготавливают порошки с невысокой температурой испарения.
Достоинства химических методов заключаются в простоте технического оформления производства, возможности использования дешевого промышленного и вторичного сырья. В то же время химические методы обладают и рядом недостатков: ограниченный спектр материалов, из которых получают порошки отдельным способом; необходимость очистки конечного продукта; вред окружающей среде и здоровью человека.
Механические методы основываются на измельчении твердых материалов, т.е. на уменьшении начальных размеров частиц путем разрушения их под действием внешних усилий [12, 121]. Различают измельчение дроблением, размолом или истиранием. Наиболее целесообразно применять механическое измельчение хрупких металлов и их сплавов, таких как кремний, сурьма, хром, марганец, ферросплавы, сплавы алюминия с магнием. Размол вязких пластичных металлов (медь, алюминий и др.) затруднен. Среди методов измельчения твердых материалов наибольшее распространение получили обработка металлов резанием с образованием мелкой стружки или опилок, измельчение металла в шаровых, вихревых, молотковых и других мельницах. Форма частиц может быть осколочной, чешуйчатой или шарообразной; тарельчатой. Преимущественный размер фракций составляет интервал 60-350 мкм.
Общими недостатками для механических методов диспергирования металлов являются: невозможность удаления примесей, присутствующих в исходном сырье; загрязнение порошков примесями от изнашиваемых органов мельниц; длительность операций; невозможность измельчения ряда металлов и сплавов; относительно низкая дисперсность конечного продукта; ограниченное воздействие на форму частиц порошков. К достоинствам механических методов можно отнести простоту и налаженность процесса, возможность использования в качестве сырья отходов производства.
Способ испарения (конденсации) также известен как газофазный синтез получения порошков металлов. Нагрев испаряемого вещества осуществляется с помощью плазмы, лазера, электрической дуги, печей сопротивления, индукционным способом, пропусканием электрического тока через проволоку, также бестигельного испарения. В зависимости от вида исходных материалов и получаемого продукта, испарение и конденсацию проводят в вакууме, в инертном газе, в потоке газа или плазмы. Размер и форма частиц зависят от температуры процесса, состава атмосферы и давления в реакционном пространстве. Таким методом получают порошки Ni, Mo, Fe, Ті, Al [20].
Ультразвуковое диспергирование ведут в воде, спирте и других жидкостях. Легко диспергируется гипс, слюда, сера, графит и т.д., труднее - чистые металлы. Порошки не имеют существенных химических загрязнений, но частицы содержат больше микроискажений, чем после измельчения в шаровой мельнице.
Методом распыления жидкого металла получают основную часть металлических порошков Fe, Al, Си, Pb, Zn, Ті, W и др., а также сплавы на основе этих металлов. Методы распыления металлического расплава различаются по виду затрачиваемой энергии, по виду силового воздействия на расплав, по типу среды для диспергирования [21]. Все методы диспергирования расплавов условно можно разделить на пять групп: методы центробежного распыления [22-24]; методы ультразвукового распыления [25]; методы распыления расплава потоками энергоносителей [26-32]; бесконтактные методы распыления [33, 34]; высокоскоростные методы распыления [13]. Размер образующихся частиц 100 мкм. Скорость кристаллизации капель лежит в пределах 104-1010 С/с [23, 24].
Широкое использование способов физического получения порошков обусловлено простотой оборудования, позволяющей получать конечный продукт в форме и состоянии, перспективных для последующего применения. Большая производительность способа обусловливает применение крупногабаритного специализированного оборудования. Сам процесс диспергирования занимает намного меньше времени, чем подготовка производства перед распылением и дальнейшая обработка полученного порошка.
Определение характеристик образующихся капель
Плазменные технологии в процессах получения порошков в промышленности используются в химических и физических методах.
Существует четыре различных варианта получения порошков плазмо-химическим способом (рис. 1.1): реагенты подаются в плазму в газообразном виде, в виде диспергированной жидкости, в виде порошка (взвешенных в потоке плазмы либо в медленно перемещающемся слое)
Первый вариант - переработка газообразных соединений в плазме -представляет наибольший интерес с точки зрения задачи получения высокодисперсных порошков, поскольку химические реакции образования целевого продукта протекают в газовой фазе при очень высоких температурах, что обусловливает их высокую скорость и высокую производительность реактора; продукты получаются в результате конденсации соединений из газовой фазы и, как правило, представляют нанодисперсные порошки; исходное сырье может быть подвергнуто глубокой очистке, в ходе реакции оно не соприкасается со стенками реактора; метод позволяет путем смешивания исходных паров получать на выходе сложные вещества, а также твердые растворы и композиты. Для нагрева исходного материала в плазмохимических методах используются как дуговые (электродные), так и безэлектродные плазмотроны. а б в г переработка жидких диспергированных веществ, зоны протекания процессов: I - смешение; II - испарение капель; III - химическая реакция; IV - объемная конденсация; V - охлаждение; в - переработка твердых частиц, взвешенных в потоке плазмы, зоны протекания процессов: I - смешение; II - плавление частиц; III - испарение капель; IV - химическая реакция; V - объемная конденсация; VI - охлаждение; г - переработка твердых частиц в медленно перемещающемся слое, зоны протекания процессов: I - нагрев; II - химическая реакция и формирование частиц; III - охлаждение; 1 — корпус реактора; 2 - плазмотрон; 3 - форсунка; 4 - теплообменник; 5 — продукт
В.А. Петруничев, В.В. Кудинов, И.Д. Кулагин предложили способ получения сфероидизированного металлического порошка вольфрама и молибдена распылением проволоки [37, 38]. В качестве источника нагрева и распыления используется плазменная струя. Материал вводится в струю в виде порошка или проволоки. Процесс плазменной сфероидизации материалов состоит из стадий: I - плавление и распыление материала; II - округление частиц; III - затвердевание частиц; IV - охлаждение и сбор порошка. Процесс распыления выполняется на стандартном оборудовании для плазменной металлизации. Предложено три варианта распыления: распыление нейтральной проволоки; распыление по схеме «открытый анод»; распыление по схеме «закрытый анод». Способ распыления нейтральной проволокой недостаточно производителен, и авторы рекомендуют его для получения порошков из прутков неэлектропроводных материалов. Распыление по схеме «открытый анод» повышает производительность процесса в 5-7 раз по сравнению с пре дыдущим способом и требует использования дополнительного оборудования. Схема «закрытого анода» не нашла широкого применения из-за низкой стойкости сопла. Также была прослежена закономерность формообразования частиц в зависимости от длины свободного пролета частиц (время затвердевания частиц) и их нахождения относительно оси распыления. Охлаждение и сбор частиц осуществлялись в жидкостном или газовом уловителе. где d- диаметр частицы, м; dc - диаметр сопла, м; dn - диаметр проволоки, м; а - коэффициент поверхностного натяжения материала электрода при заданной температуре в месте приложения силы, Дж/м2; V - скорость истечения газа, м/с; р - плотность среды, кг/м3. Таким образом, фракционный состав можно регулировать изменением температуры плазменной струи, диаметром проволоки, а также в определенных пределах расходом газа и диаметром сопла.
Данный способ распыления не нашел широкого применения в промышленности. Более быстро стало развиваться вытекающее из данного способа направление сфероидизации ранее полученных частиц.
Авторы работы [39] использовали двухструйный плазмотрон в процессе распыления пруткового материала. Получение стабильности распыления и узкого гранулометрического состава частиц потребовало специализации плазмотрона. В результате использования видоизмененного плазмотрона были получены частицы, максимальное количество которых находится в диапазоне 50-100 мкм. Распыляемым материалом была алюминиевая проволока диаметром 2-3 мм, диапазон токов дуги - от 100 до 150 А при расходах газа от 30 до 70 л/мин. В заключении авторы сделали вывод о том, что эффективным фактором воздействия на плазменный поток является величина расхода газа. Известен способ получения порошка металлов, их сплавов и керамики распылением стержня или проволоки в вершине, образованной множеством сходящихся плазменных струй [40]. После распыления производится контролируемое охлаждение сфероидизированных частиц. Размер получаемых частиц колеблется в пределах 10-300 мкм. Распыление производится в водоох-лаждаемой камере (рис. 1.2). Источниками распыления служат три плазмотрона. Плазменные струи сходятся в одной вершине, углы между горелками составляют 120, угол между горелками и распыляемым материалом составляет 30. Стержни или проволока подаются в вершину схождения плазменных струй, мощность которых составляет от 20 до 40 кВт, напряжение на дугах - ПО и 250 V, расход плазмообразующего газа (аргон) - 100 л/мин. По этой схеме было проведено распыление А1, Си, Ni, Ті. Установлено, что важные факторы при распылении - это размеры реактора (камеры распыления) и скорость плазмообразующего газа.
Другие исследователи [41] попытались улучшить работу дугового пистолета. В изобретении предлагается подача распыляемого материала в область, где сходятся струи нескольких плазмотронов (не менее двух). Основное отличие заключается в том, что плазменные дуги запитываются последовательно от одного источника питания. Основными достоинствами изобретения являются одинаковые параметры плазменных струй, обеспечивающие ста Рис. 1.2. Схема распыления бильность процесса. Мощность общего фа- проволоки: / - камера распыления;
Способ получения композиционных материалов представлен авторами работы [42]. Распыление производится дуговым плазмотроном, в него подается одна или несколько распыляемых проволок. Проволоки могут быть как одного состава, так и разного, также возможно использование различных по рошковых проволок (рис. 1.3). Распыление производится на охлаждаемую подложку. В качестве плазмообразующего газа используется Аг, Не и Нг в различных пропорциях. Расход газов достигает 150 л/мин, при напряжении на дуге до 80 V и токе до 600 А получены порошки NiCriC, Co-WC, Cu-А120з с размером фракций 5-100 мкм
Влияние технологических параметров процесса на дисперсность распыления, начальную, скорость и температуру капли
Процесс нагрева частиц в потоке плазмы можно разделить на три периода теплообмена: конвективный теплообмен плазмы с частицей при температуре плазмы намного выше температуры частицы и скорости плазмы, намного превосходящей скорость частицы; теплообмен плазмы с частицей через пограничный слой за счет механизма теплопроводности при температуре плазмы намного выше температуры частицы и скорости плазмы, равной скорости частицы; конвективный теплообмен частицы со средой при температуре среды меньше температуры частицы и скорости среды, равной или больше скорости частицы.
Процесс теплообмена частиц с потоком плазмы описывается уравнением теплопроводности, которое связывает скорость нагрева частицы с ее массой, удельной теплоемкостью и мощностью передаваемой частице. где ср - удельная теплоемкость; ЪР{ - суммарная мощность, передаваемая в частицу, представляющая собой сумму мощностей всех рассматриваемых для данной стадии нагрева частицы механизмов передачи.
Примем, что испарение частиц в плазменном потоке не происходит и форма частиц - сферическая.
На стадии взаимодействия частицы с плазменным потоком источником энергии является конвективно-кондуктивный теплообмен, источник потери энергии - излучение частицы. Баланс мощностей частицы (2.32) на данной стадии примет следующий вид: ср = Рконв-Ризл, (2.33) где Рконв - мощность конвективной теплопередачи от плазмы к частице, Вт; Ртл - мощность излучения частицы, Вт. Из закона Ньютона мощность конвективной теплопередачи запишется в виде
Рассмотренный теплообмен частицы с потоком плазмы является сложным теплообменом [149], который включает в себя теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. В теплотехнических расчетах при сложном теплообмене часто пользуются общим коэффициентом теплопроводности, представляющим собой сумму коэффициентов теплоотдачи соприкосновением, учитывающим действие конвекции, теплопроводности и излучения, т.е.
Заменяя общий коэффициент теплоотдачи, баланс мощностей на стадии взаимодействия частицы с потоком плазмы можно записать в следующем виде: m4cp - = a-{Tm4)-Snoe. (2.39) Решение задачи теплообмена частицы в потоке газа сводится к нахождению коэффициента теплопередачи, который зависит от свойств частицы и потока плазмы. Для определения величины а для различных случаев конвективного теплообмена предложено несколько эмпирических формул, имеющих ограниченную область применения. Значительно лучшие результаты дает определение величины а на основе эксперимента [150] с использованием критериев подобия.
Преобразуя уравнение (2.46), получим величину скорости частицы и ее координаты в среде аналогично уравнениям (2.29) и (2.31). При движении частиц в плазменной струе учитывалась длина плазменной струи и время пребывания частиц в ней. Радиальная составляющая скорости (ось X) значительно меньше горизонтальной составляющей скорости (ось У) частицы и в расчетах не учитывалась. Расчет движения частиц в среде производится для значительного расстояния пролета частиц, и радиальная составляющая вносит существенные изменения в траекторию движения частиц.
Уравнение (2.29) можно заменить на упрощенную форму при условии, что nt 10 с точностью ±0,1 %, Тогда вертикальная составляющая скорости частицы (скорость частицы, направленная вдоль оси плазменной струи) равна:
Как видно из уравнения (2.47), скорость частиц зависит от скорости среды. При потоке среды, движущемся в направлении перемещения частицы, - частица разгоняется; при потоке среды, направленном против движения частиц, - они тормозятся. Эффективность разгона или торможения частицы определяется разностью скоростей частиц и потоков, плотностью потоков, коэффициентов гидродинамического сопротивления и др. 2.3.2. Теплообмен частиц с окружающей средой
При движении частицы за пределами плазменного потока происходит ее теплообмен с окружающей средой. На стадии образования капли и ее движения в потоке плазмы частица приобретала энергию, на этой стадии она отдает свою энергию среде.
Пролетев зону свободного движения, частица попадает в сборник. Там она ударяется о дно сборника или о такие же частицы и полностью останавливается. При отсутствии движения происходит теплообмен между частицами и средой. При скоростях и температурах частиц больше определенных может наблюдаться их слипание в сборнике. Слипание частиц между собой и подложкой является отрицательным фактором при распылении. Механизмы слипания частиц в данной работе не рассматриваются, подробное описание можно найти в работах [157, 158]. Для получения сферических порошков металлов требуется снижение скорости столкновения частиц с подложкой. Для уменьшения физико-химического взаимодействия Предложена модель образования частицы, которая учитывает основные технологические параметры процесса плазменного распыления пруткового материала. Размеры образующихся частиц при плазменном распылении пруткового материала зависят от параметров плазменной струи на срезе сопла. Приведенная зависимость нахождения размера частиц позволяет производить оценку влияния параметров режима распыления на величину частиц и с удовлетворительной точностью рассчитать размер частиц.
Предложена модель движения частиц в плазменной струе и контролируемой среде. Движение частиц в контролируемой среде или плазме характеризуется свойствами среды. Эффективность разгона или торможения частицы определяется разностью скоростей частиц и потоков, плотностью потоков, коэффициентов аэродинамического сопротивления. Модель дает возможность рассчитать скорость частицы и ее координату в зависимости от времени.
Предложена модель теплообмена частиц с плазменным потоком или контролируемой средой. Интенсивность теплообмена частиц с плазмой и средой зависит от разности температур частицы и среды (плазмы), разности их скоростей, свойств частиц и среды, коэффициентов теплообмена. В результате можно проследить динамику изменения температуры частицы в потоке плазмы или контролируемой атмосфере.
Определение параметров плазменного распыления проволоки из низкоуглеродистой стали
Установка плазменного распыления пруткового материала включает в себя стандартное и специализированное оборудование. Стандартное оборудование состоит из источников питания, газовых баллонов и приборов учета и снятия показаний. Выбор оборудования осуществлялся на основании требований проведения устойчивого процесса плазменного распыления. В состав специализированного оборудования входит составная камера с контролируемой атмосферой, блок управления плазменным процессом, механизм подачи проволоки, системы водо- и газоснабжения. Блок управления плазменным процессом состоит из блока поджига дуги, системы регулирования расходов газов, системы контроля охлаждения плазменной горелки. Конструкция камеры распыления проектировалась по результатам, полученным в главе 2 и главе 3. Установлено, что при плазменном распылении пруткового материала, образовавшиеся частицы могут разгоняться плазменной струей до 150 м/с с температурой намного выше температуры плавления материала. Имея высокую скорость и температуру частицы в сборнике слипаются. Традиционно слипание частиц устраняется увеличением длинны пролета частиц, что увеличивает размеры камеры распыления до десятков метров. Устранить слипание частиц в сборнике за счет повышения эффективности охлаждения и снижения скорости возможно организацией встречного потока холодного газа. В связи с этим было принято решение о введении в схему установки дополнительного оборудования: вентилятора и параллельной ветви. Данный прием позволил создать в камере циркулирующий поток среды (аргона), направляемого навстречу расплавленным каплям металла. Создание противопотока позволяет эффективно регулировать процессы движения и теплообмена частиц, тем самым сократить габариты камеры распыления.
На рисунке 4.1 представлена принципиальная схема установки плазменного распыления пруткового материала. Установка состоит из камеры распыления 9 (рис. 4.6, рис. 4.8), циркулирующей ветви, механизма подачи проволоки 6, систем подачи газа 1 и водяного охлаждения 5, систем электропитания. Камера распыления 9 является составной. В камере распыления проходят процессы образования, движения (полета), теплообмена частиц в противотоке. Внизу камеры распыления находится сборник частиц. К камере распыления через два перепускных патрубка присоединяется ветвь циркуляции. В нижнем перепускном патрубке устанавливается вентилятор. Ветвь циркуляции имеет меньшее сечение. Основная функция вентилятора и ветви циркуляции - создание циркулирующего потока среды. Внизу ветви циркуляции также находится сборник для порошка, унесенного с газовой средой. В верхней части камеры находится площадка для установки узла распыления 8. Узел распыления состоит из плазмотрона, механизма подачи проволоки 6 и блока распыления 8. В блоке распыления находятся посадочные места для установки плазматрона 4 и устройство подачи проволоки 11. В блоке распыления 8 происходит сам процесс нагрева и разрушения проволоки. Наблюдение и контроль за процессом распыления осуществляется с помощью смотрового окна 7, на котором установлен светофильтр. Устройство подачи проволоки 6 состоит из механизма подачи проволо ки с катушкой, токоподвода и источника питания. Скорость подачи проволоки регулируется в пределах от 0,5 до 35 м/мин.
Подключение плазменной горелки осуществляется по двум основным схемам. Первая - используется один источник питания 3, от которого запитыва-ется сжатая дуга и плазменная струя. Вторая - плазменная горелка имеет два независимых источника питания, один для сжатой дуги 3, другой для плазменной струи 13. Питание плазменной струи осуществляется через блок управления 4, в обоих случаях. В блоке управления находится блок поджига. Блок поджига вырабатывает высокочастотный разряд, который возбуждает плазменную струю. Сжатая дуга горит между электродом плазматрона и проволокой. Про волока запитывается через токоподвод. Из условий стабильного зажигания и горения плазменной струи необходимо чтобы источники питания имели напряжение холостого хода не менее 65 В с падающей вольтамперной характеристикой. Этих характеристик вполне достаточно для возбуждения сжатой дуги и стабильного проведения процесса. Процесс плазменного распыления прутковых материалов может производится плазменной струей, сжатой дугой и при комбинированном подключении. Сжатая дуга горит между электродом и изделием. При комбинированном подключении косвенная малоамперная дуга обеспечивает стабильность горения сжатой дуги, но может отключаться (схемы питания горелки рассмотрены в главе 3), в зависимости от режима работы.
Система подачи газа является автономной. Используется раздельная система додачи газов в плазменную горелку и камеру распыления. Источниками газа служат баллоны с аргоном 1. На баллонах установлены редукторы для регулировки расходов. Проверка расхода осуществляется контрольным ротаметром 2. При снятии сборников для сохранения контролируемой атмосферы камеры возможна установка заслонок.
Установка плазменного распыления снабжена системой водяного охлаждения. К водоохлаждаемым узлам относится: блок распыления, камера распыления и ветвь противопотока, токоподвод, сборники порошка. Система охлаждения может быть замкнутая - использовать блоки охлаждения и проточная -используя централизованную систему водоснабжения. При замкнутой системе охлаждение производится дистиллированной водой, продлевающей срок работы узлов. При проточной системе, подвод воды осуществляется через общую магистраль 5. Для контроля тепловых характеристик процесса на входе и выходе воды установлены термометры 12, что позволяет с достаточной точностью судить о состоянии узлов установки и снимать тепловые характеристики. Схема водо-охлаждения данной установки смонтирована по восходящему принципу. Вода поступает к установке в точке, наиболее низкой по уровню, а отводится - в верхней. Данная схема охлаждения позволяет избежать возникновения воздушных подушек внутри карманов охлаждения стенок камеры и максимально использовать возможности охлаждающей жидкости для отведения тепла. Отработанная вода уходит в слив 10.
