Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез как способ получения композиционных материалов. Способы нанесения защитных покрытий из композиционных материалов .
1.1. Физико - химические процессы при взаимодействии бинарных систем. Классификация процессов СВС 9
1.2. Экспериментальные методы исследования процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза 23
1.3. Технологии нанесения покрытий методом детонационно - газового напыления 27
1.4. Некоторые вопросы организации синтеза интерметаллических соединений и получения защитных покрытий на их основе...: 37
Глава II. Моделирование тепловых процессов в поверхностном слое детонационного напыления .
2.1. Динамика разогрева поверхности основы в процессе детонационно - газового напыления. Постановка задачи 42
2.2. Результаты анализа. Нестационарная модель 49
2.3. Результаты анализа. Стационарная модель 55
2.4. Выводы по главе II 59
Глава III. Экспериментальное оборудование для получения композиционных материалов и их использования в процессе детонационно - газового напыления ,
3.1 Экспериментально -диагностический комплекс для проведения процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в режиме теплового взрыва 60
3.2. Экспериментально - диагностический комплекс для напыления композиционных материалов 70
3.3. Выводы по главе III 77
Глава IV. Получение продукта синтеза в режиме теплового взрыва в порошковой системе Ті - А1, и его использование в процессах детонационно - газового напыления .
4.1. Экспериментальное изучение закономерностей фазообразования в гетерогенной порошковой смеси Ті -АІ в режиме теплового взрыва 78
4.2. Экспериментальная диагностика дисперсной струи в процессе детонационно - газового напыления 90
4.3 Выводы по главе IV 104
Основные результаты диссертационной работы 105
Литература 108
- Экспериментальные методы исследования процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза
- Динамика разогрева поверхности основы в процессе детонационно - газового напыления. Постановка задачи
- Экспериментально - диагностический комплекс для напыления композиционных материалов
- Экспериментальная диагностика дисперсной струи в процессе детонационно - газового напыления
Введение к работе
Использование износостойких, коррозионностойких, жаростойких, химически стойких, электроизоляционных, теплоизоляционных и других видов покрытий деталей и узлов машин, различного рода рабочих поверхностей, позволяет резко сократить потери металлов, расход ресурсов на их возмещение и дает возможность повысить качество, надежность машин, сроки эксплуатации оборудования и сооружений.
Большое распространение в настоящее время получили методы нанесения покрытий напылением. Газотермические методы нанесения покрытий отличаются от методов испарения и конденсации в вакууме прежде всего высокими температурами процесса (электродуговое, плазменное напыление) и высокими скоростями метания частиц напыляемого материала (детонационно - газовое напыление). Процесс детонационно - газового напыления (ДГН) является импульсным. В отличие от других методов нанесения покрытий, в процессе ДГН существенным образом проявляются коллективные эффекты взаимного влияния частиц в период образования слоя покрытия, т.к продолжительность цикла напыления составляет 0,1 - 1с, а время формирования покрытия составляет миллисекунды.
Значительный прогресс в отношении повышения качества покрытий связан с использованием в процессе напыления композиционных материалов, обладающих комплексом особых, взаимодополняющих физико - химических свойств, что позволяет получать покрытия многофункционального назначения. Производство композиционных материалов с оптимальными комплексами эффективных свойств предполагает развитие технологических процессов нового уровня, основными чертами которых являются ограниченное количество основных операций, обеспечивающих полный переход исходных материалов в целевой продукт с их глубоким переделом, при котором происходят радикальные изменения структуры и свойств материала. Процессом, обладающим значительным технологическим
потенциалом, в этом отношении, является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), открытый акад. А.Г. Мержановым и его научной школой в 1967г.
Синтез композиционных материалов относится к процессам горения, и его можно проводить в двух режимах - послойное горение и тепловой взрыв. СВС в режиме теплового взрыва, хотя и требует несколько больших энергозатрат, выгодно отличается от технологий послойного горения прежде всего возможностью управления тепловой активностью реагирующей шихты посредством изменения теплофизических условий синтеза, особенно в процессе вторичного структур о образования. К управляющим факторам можно отнести мощность инициирующего теплового источника, время его действия, условия теплоотвода, и т.д. Кроме того знание критических условий теплового взрыва позволяет разграничить режим изотермического спекания и собственно теплового взрыва. Таким образом появляется возможность управления фазовым составом конечного продукта, его полнотой превращения. Основной целью технологий СВС является как правило получение однофазного продукта
Одним из основных направлений применения синтезированных композиционных материалов является их использование в процессе нанесения покрытий. При этом технологии процесса ДГН и СВС, как правило, независимы друг от друга. Именно, в технологиях ДГН обычно используется уже готовый продукт, полученный другими специалистами и с использованием других технологий. Следовательно объединение технологий СВС и ДГН в единый комплекс, очевидно имеет большие перспективы, т.к в этом случае оптимизация физико - химических свойств покрытий и получение сырья для этих покрытий связаны положительной обратной связью. Если покрытие не обладает определенным набором свойств, диктуемых условиями эксплуатации изделия, это стимулирует поиск необходимых режимов синтеза и разработок определенных рекомендаций по получению продукта требуемого состава и физико — химических свойств. В
свою очередь, разработка способов синтеза требует поиска оптимальных режимов напыления и т.д.
Однако в технологиях ДГН на сегодняшний день имеется ряд проблем, связанных с тем, что эффективный режим нанесения покрытий (с точки зрения их свойств) как правило определяется методом «пристрелки», т.е отсутствует надежная методика определения параметров дисперсной струи, прежде всего ее температуры. Для прогнозирования процессов, происходящих на поверхности основы, необходима адекватная модель, допускающая прямую экспериментальную проверку, которая значительно сократит энергозатраты и расход материалов на бессистемный поиск оптимальных режимов ДГН, даст возможность предсказывать результаты процесса напыления, проводимых в тех или иных условиях. Отсутствие надежных экспериментальных методов диагностики дисперсных струй, их энергетических и тепловых характеристик, также в значительной степени сдерживает развитие технологий процессов ДГН.
Круг поставленных выше проблем определяет цель настоящей работы.
Цель работы заключалась в создании экспериментально -
диагностического комплекса, включающего реактор, с контролем
температуры реакционного объема, в создании датчика на основе термопар,
применяемого совместно с платой аналого-цифрового преобразователя LA
1,5 PCI, в проведении цикла экспериментальных исследований по измерению
температур в процессе детонационного напыления СВС-матерналов, в
разработке теоретической модели физических процессов на поверхности
основы напыления, дающей возможность прогнозировать процессы
формирования покрытий, в частности условия появления жидкой фазы в
процессе напыления, в нахождении оптимальных режимов
самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для получения химически чистого однофазного продукта требуемого состава и свойств, в создании комплекса для проведения СВС в режиме теплового взрыва с возможностью внешнего воздействия на процесс вторичного
структурообразования., в установлении корреляции фазового состава исходного и напыленного продукта для выяснения оптимальных режимов нанесения покрытий.
Научная новизна работы:
Спроектирован и создан экспериментально - диагностический комплекс на основе платы сбора и обработки данных ЛА 1,5 PCI для проведения СВ -синтеза в режиме теплового взрыва.
Разработана математическая модель физических процессов, происходящих на основе, в процессе получения покрытий в режиме детонационно — газового напыления.
Разработан термопарный датчик для измерения температуры дисперсной струи и поверхности основы в процессе нанесения покрытий.
Установлена адекватность математической модели и результатов измерений температур струи и основы.
Практическая значимость. Предложены оптимальные режимы синтеза бинарной порошковой смеси Ті - А1, с точки зрения получения однофазного продукта стехиометрии TiAl3, при тепловом взрыве. На основе датчика для измерения температуры дисперсной струи, разработана методика измерения параметров потока, дающая возможность прогнозировать результаты напыления. Разработана технология получения защитных покрытий с применением интерметалл и дно го порошкового материала состава ТІАІ3 . Практическую значимость представляет создание комплексной программной методики на основе платы ЛА 1,5 РСІ, с высоким быстродействием, для диагностики процессов получения композиционных материалов и их использования в процессах получения защитных покрытий.
Основные защищаемые положения:
Методика измерения температуры в процессе СВС в режиме теплового взрыва с использованием платы измерения температуры ЛА 1,5 PCI,
Математическая модель физических процессов на основе напыления при формировании покрытий в режиме ДГН. Проверка адекватности.
Способ получения однофазного продукта синтеза в режиме теплового взрыва, в системе Ті - А1.
Методика измерения температуры поверхности основы и дисперсной струи в процессе ДГН с использованием термопарного датчика.
5. Технология нанесения покрытий в режиме ДГН.
Сформулированные выше цели и задачи исследования определили
структуру работы. В главе I рассмотрены особенности СВ - синтеза как физико - химического процесса, опыт и результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов горения в конденсированных средах, технологии нанесения покрытий в непрерывных и импульсных режимах. Глава содержит постановку задач настоящей работы.
Во второй главе поставлена и решена задача о динамике тепловых процессов в растущем напыляемом слое, в импульсном режиме нанесения покрытий. Рассмотрен стационарный и нестационарный режим.
Экспериментальные методы исследования процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза
Наиболее распространенным способом прямого измерения температуры реагирующей среды является методика, основанная на применении термопар Разработка современных термопарных методов изучения тепловой структуры, волны горения была проведена А.А.Зениным [64 - 66]. Применение термопар для исследования СВС - процессов обосновано в работах [67 - 71]. Несмотря на общепринятые представления о недостатках микротермопарной методики, связанных с инерционностью и возможностью искажения температурного профиля, указанный метод отличается простотой и высокой надежностью. Как правило, термопары используются для измерения постоянных температур, однако, как следует из теории регулярного режима [72], использование термопар в динамических тепловых процессах оправдано, если постоянная времени термопары значительно меньше характерных времен протекания процесса.
Для исследования процессов в диапазоне температур 20 - 1200 С используются хромель - алюмелиевые термопары, имеющие в указанном диапазоне линейные характеристики [73 - 74]. Для анализа более высокотемпературных процессов применяются либо платино — родиевые, либо хромель - капелевые термопары.
На рис. 1.6 схематически изображены методы измерения температуры для СВС в режиме послойного горения и теплового взрыва. В некоторых случаях используют две или несколько термопар например для определения скорости фронта горения или распределения температуры по обьему в режиме теплового взрыва.
Нередко для изучения структуры волн горения или динамики развития теплового взрыва используются бесконтактные методы. К ним относятся прежде всего спектрально - оптические, пирометрическике, электронно - оптические методы [75, 76], скоростная видеосьемка, а также яркостная пирометрия [77, 78]. Использование первых двух методов имеет недостатки, связанные, в первую очередь, с корректностью интерпретации данных по температурному профилю волн горения. Основной проблемой пирометрического метода является достоверность калибровочных характеристик для порошковых тел. На рис.1.7 представлены термограммы волн горения в системе Ni-Al при различных начальных температурах Высокое быстродействие и малая инерционность метода позволяет исследовать тонкую тепловую структуру волны. Пологие участки и изломы профиля соответствуют особым точкам фазовой диаграммы указанной бинарной системы [79]. Однако метод работает начиная с относительно высоких температур (900 - 1000С), а это не позволяет изучать процесс формирования волны, или динамику развития теплового взрыва с момента начала плавления легкоплавкого компонента (например алюминия). При этом калибровочные характеристики, как правило, получают по свечению сплошных твердых тел (калибровка по лампе ток - температура) при нагреве разнородных порошковых материалов, в процессе химического либо фазового превращения.
Вопрос о достоверности результатов калибровки остается-открытым и по сегодняшний день. В процессе СВС имеется богатая картина зафронтальных превращений вещества. К ним относятся такие процессы, которые протекают далеко от фронта горения (либо по истечению достаточно большого промежутка времени после достижения системой максимальной температуры в режиме теплового взрыва). В работах [80 -82] было показано, что вдали от фронта горения могут образовываться пересыщенные твердые растворы, реакция горения приводила к образованию вещества в неравновесном состоянии, способного к дальнейшим превращениям. В дальнейшем эта концепция так называемого вторичного структур ообразования получила развитие. В обзорных статьях [83, 84] были сформулированы два предельных механизма горения и структурообразования в СВС - процессах в зависимости от соотношения характерных времен горения /си структурообразования ts. Еслиимеет место равновесный механизм структурообразования. В волне горения имеет место локально - равновесное состояние вещества. В ходе горения образуются все фазы, известные на диаграмме состояния. Если имеет место неравновесный механизм структурообразования. После завершения химических реакций в этих продуктах происходят фазовые и структурные превращения вдали от фронта горения. Таким образом были введены представления о первичном и вторичном структурообразовании [85]. Следует заметить, что зоны первичного и вторичного структурообразования имеют место как при синтезе в режиме послойного горения, так и в режиме теплового взрыва, при этом вопрос о влиянии извне на процесс вторичного структурообразования в режиме теплового взрыва изучен мало. В работе [86] показана возможность управления процессами вторичного структурообразования в системе Т\А1Ъ при изменении мощности внешнего источника разогрева, или условий теплоотдачи. Показано, что имеется корреляция между условиями проведения синтеза и фазовым составом конечного продукта, что открывает возможность получения продукта синтеза требуемого состава и свойств.
Естественно, что синтез композиционных материалов методом СВС не является самоцелью. Одним из направлений применения композиционных материалов является их использование в процессах получения защитных покрытий многоцелевого назначения на поверхности деталей и узлов машин, подверженных различного рода деструктивным воздействиям, Поэтому далее перейдем к рассмотрению технологий получения покрытий различными методами.
Динамика разогрева поверхности основы в процессе детонационно - газового напыления. Постановка задачи
Рассмотренные выше преимущества СВ - синтеза по сравнению с другими способами получения композиционных соединений позволяют говорить о необходимости создания эффективных технологий на базе СВС - реакторов с последующей обработкой продукта. В связи с этим возникает проблема создания экономичных и быстродействующих реакторов для получения продукта требуемого состава и свойств. Приведенный обзор литературы позволяет утверждать, что подавляющее число исследований в области физики СВС - процессов посвящено изучению режима послойного горения. При этом долго велись дискуссии по поводу того, относить ли вообще тепловой взрыв к категории процессов СВС [113]. В монографии [114] принципиального отличия между процессами обьемного спекания и теплового взрыва не проводится. Указывается лишь на то, что, например, в системе Ті-А! при некотором значении температуры стенок реактора (в данном случае дилатометра) происходит резкий рост температуры шихты, связанный с высокой экзотермикой смеси, и таким образом, процесс спекания нельзя считать экзотермическим. В работе [115] математически доказано, что тепловой взрыв тоже относится к категории самораспространяющихся процессов, однако волна горения перемещается не в аксиальном, а в радиальном направлении либо от поверхности образца к центру (режим зажигания), либо взрыв происходит в центре и далее волна распространяется к периферии. Между этими предельными режимами существует переходная область на плоскости параметров Bi-Fk, (рис. 1.16.), где Bi-arjX- критерий Био («-коэффициент теплоотдачи смесь -окружающая среда, г-размер системы, Я-коэффициент теплопроводности смеси), Fk - критерий Франк - Каменецкого, Fk =
В последнее время исследователей все больше привлекает синтез в режиме теплового взрыва в отношении возможности управления процессом. Дело в том, что в режиме фронтального горения управление процессом структурообразования осуществляется посредством изменения исходных характеристик шихты (пористость, размер частиц, соотношение компонентов, наличие инертной добавки и т.п. [7] ). В режиме теплового взрыва имеется возможность управления процессом путем изменения внешних тепловых условий синтеза (величина мощности и время действия инициирующего источника, условия теплоотдачи, возможность принудительного охлаждения и т.п. [116 - 118]), именно этот вопрос на сегодняшний день изучен мало. Кроме того, специалисты в области газотермического напыления и специалисты в области технологий СВС, как правило, проводят исследования вне связи друг с другом, в то время как изменение параметров газодисперсного потока и теплофизическими характеристиками основы является дополнительным механизмом управления процессами структурообразования непосредственно на основе. Исключением является исследование [119], где использовались композиционные порошки, представляющие собой частицы никеля, плакированные алюминием, полученные методом вакуумного осаждения. Получение покрытий производилось методом плазменного напыления, при этом высокий уровень адгезии покрытия был обусловлен тепловыделением за счет химического взаимодействия. Применение ДГН для получения покрытий из композиционных материалов процесс мало изученный, тем более, что ДГН во многих отношениях выгодно отличается от других видов напыления. Однако на сегодняшний день в технологиях ДГН имеются проблемы, связанные с диагностикой динамики разогрева напыляемой поверхности. О проблемах, связанных с бесконтактными методами, говорилось в разделе 1.2 настоящей главы,- микротермопарные методики определения температуры поверхности в процессах ДГН практически не применялись. Кроме того, как уже указывалось, прогнозной модели расчета динамики разогрева контактной поверхности с учетом фазовых превращений в импульсном режиме нанесения покрытий на сегодняшний день нет. Однако умение определять температуру контакта крайне важно. В монографии [2] неоднократно подчеркивается, что адгезионные и когезионные свойства покрытия значительно улучшаются в случае если напыляемый материал находится в жидкой фазе. Ввиду того, что температура газодисперсного потока в процессе ДГН может достигать 2000 - 2500С, нагрев поверхности конвективным потоком до температуры плавления напыляемого материала не представляет особых трудностей особенно для легкоплавкого материала (например алюминия). В связи с этим температурная диагностика поверхности и построение прогнозной математической модели ее разогрева в процессе ДГН является очевидно актуальной задачей.
Из приведенного выше литературного обзора следует, что комплексное исследование процессов синтеза композиционных материалов и ДГН, значительно расширяет возможности управления процессами структурообразования в процессе получения защитных покрытий, именно, с точки зрения СВС в режиме теплового взрыва имеется возможность изменения теплофизических условий проведения синтеза, что дает возможность получения продукта в виде порошка с заданным фазовым составом. С точки зрения процессов ДГН имеется возможность, с одной стороны изменения характеристик основы (прежде всего ее температуры, толщины и материала), с другой - изменения параметров ДГН - температуры и скорости дисперсного потока, дозировки порошка, глубины загрузки порошка. Из сказанного логически вытекает необходимость создания комплексной экспериментальной методики для управления процессами СВС и ДГН для получения защитных покрытий с набором эффективных свойств, повышающих их эксплуатационные характеристики.
На основании вышеизложенного задачами настоящей работы являются: 1. Создание адекватной модели тепловых процессов в слое покрытия в процессе ДГН. 2. Разработка и создание технологического СВС - реактора, с применением компьютерных технологий, автоматической системой управления режимами нагрева, с высокой точностью определения температуры. 3. Разработка и создание низкоинерционного датчика температуры для определения динамики разогрева поверхности основы в процессе ДГН. 4. Исследование физических закономерностей структурообразования на напыляемой основе.
Экспериментально - диагностический комплекс для напыления композиционных материалов
Существует несколько способов реализации СВС в режиме теплового взрыва: 1. Использование электрических или индукционных печей [321]. В этом случае производится либо инициирование реакции синтеза при постоянной температуре окружающей среды [122, 123] (классический вариант теплового взрыва), либо линейный нагрев поверхности образца с постоянной скоростью в атмосфере инертного газа, при этом интервал скоростей нагрева в различных исследованиях составляет 0,5 -2000 град/мин [124-129]. 2. Электротепловой взрыв, когда для нагрева вещества до воспламенения используется электрический ток, который пропускается непосредственно через порошковую смесь [130, 131]. 3. Использование источников энергии другого рода, например инициирование реакции на поверхности прессованного образца лазерным пучком [132] или ударное механическое воздействие. Недостатком печных методов является то, что разогрев реагирующей смеси происходит через газовую фазу. Это не дает возможности быстрого изменения температурного режима нагрева, а при необходимости и прекращения процесса разогрева шихты внешним источником. Таким образом исключается один из возможных способов управления тепловой активностью шихты при изменении внешних теплофизических условий синтеза. Недостатком метода электротеплового взрыва является то, что механизмом возбуждения реакции является электрический импульс и трудно подобрать универсальный количественный критерий инициирования реакции, которым в обычных технологиях СВС является температура (величина критического значения тока, возбуждающего реакцию синтеза и его длительность не являются универсальными критериями ). Из сказанного следует, что необходимо создание экспериментального комплекса, отличительной особенностью которого являлась бы высокая чувствительность реагирующего обьема к изменению температуры внешней среды с одной стороны, с другой, высокая точность измерения температуры. В исследовании [133] использовался прогрев боковых стенок реактора нихромовой спиралью. Такой способ инициирования синтеза дает возможность быстрого изменения температуры реагирующей шихты как при нагреве спирали, так и при ее остывании или отключении.
Известно, что при синтезе в режиме послойного горения или теплового взрыва формируется так называемая зона вторичного струтурообразования [83, 84] (см.главу І), в которой происходит догорание вещества со сравнительно медленной скоростью. Если в зоне первичного структурообразования (химической реакции) процесс происходит с высокой скоростью (от 100 до 1000 К/с) и управлять им практически невозможно, то в зоне вторичного структурообразования имеется возможность влиять на процесс выравнивания составов образующихся фаз путем изменения внешних теплофизических условий [134]. В настоящей главе предложена экспериментальная методика, с использованием которой появляется возможность управления динамикой процесса синтеза в режиме теплового взрыва на этапе вторичного структурообразования. Объектом исследования была выбрана бинарная система Ті - А1. Сплавы на основе алюминидов титана широко применяются в самолетостроении для производства газотурбинных двигателей и деталей из - за их малого удельного веса, высокой прочности к разрыву, давлению, действию агрессивных сред при высоких температурах, таким образом система Ті - А1 является высоко технологически значимой.
Источником переменного напряжения 9, подавалось напряжение на нихромовую спираль 1, при этом нагрев полости, занимаемой шихтой 2, контролировался термопарой 3. Стенка прогревалась до определенной температуры, превосходящей температуру плавления алюминия (660 С), далее происходил разогрев шихты в полости реактора. Внутренняя поверхность полости изолировалась слоем асбеста, варьируемой толщины 7. Контроль температуры внутренней поверхности полости осуществлялся при помощи термопары 4. Компенсационные спаи термопар погружались в резервуар с. тающим льдом 5. Сигналы с термопар подавались на встроенную в компьютер многоканальную плату ЛА 1.5 PCI и записывались в память компьютера для дальнейшей обработки. Для измерения температуры была разработана специальная программа «Регистратор аналоговых сигналов» для измерения напряжения поступающего на аналоговый вход (не более 16 дифференциальных входов) платы сбора и обработки данных ЛА1,5 PCI, технические характеристики которого представлены в таблице 3.1. Программа позволяет с высокой точностью измерять напряжение, отображать на экране изменение поступающего на вход напряжение (одновременно не более двух каналов), сохранять данные в файл в двоичном виде (отдельный файл для отдельного канала с расширением chO для первого канала chl для второго и т.д.), транспортировать полученные данные в программу Microsoft Office Excel для обработки измерений, построения графиков, а также гибко настраивать каждый измеряемый канал. Все это позволяет использовать данный программный продукт для проведения измерений температуры с помощью термопар.
Экспериментальная диагностика дисперсной струи в процессе детонационно - газового напыления
Блок управления позволяет задавать количество циклов в данной серии напыления. Через систему дистанционного управления с блока управления осуществляется контроль работы манипуляторов, предназначенных для изменения положения детали в процессе напыления.
Рабочие характеристики установки: расход рабочих газов, при средней частоте выстрелов в 4 Гц, не более: пропан - бутановая смесь 2 - 3,5 м7ч, кислород 10 - 12 м /ч, сжатый воздух 10 - 15 м /ч, расход воды - 0,25 м /ч, потребляемая мощность — 3 кВт, производительность — 0,2 — 1,0 м7ч. скорость потока газов 50 - 2000м/с, температура газового потока 1000 -2650С, частота циклов напыления 1 - 10 Гц. Размер частиц напыляемых порошков 10-250мкм.
Таким образом, описанный выше экспериментальный комплекс, совместно с системами контроля и регулирования процесса детонации, обеспечивает высокое качество нанесения покрытий [135 - 137].
Основной методологической проблемой технологий детонационного напыления, является контроль динамики разогрева поверхности основы в процессе нанесения покрытий. Отсутствие необходимой экспериментальной методики вынуждает технологов выбирать оптимальные режимы напыления «вслепую», без использования прогнозных моделей и методик. В настоящей работе предложена экспериментальная методика диагностики температуры поверхности основы, с использованием хромель - алюмелиевых термопар. Целью исследования являлось изучение теплоэнергетических характеристик газового или газодисперсного потока с использованием оригинальной модели, представленной в предыдущей главе. Для определения потока энергии, переносимого струей необходимо знать параметры fi,Bi, которые и будут однозначно характеризовать распределение температуры в обьеме основы. Из формул (2.7) - (2.10) предыдущей главы следует, что для расчетов указанных параметров, в рамках стационарной модели напыления, необходимо знать температуры внешней и внутренней поверхности основы, а также температуру потока, следовательно измерять три значения температуры. Для этого был сконструирован специальный датчик, чертеж которого представлен нарис.3.9. Во избежание электрического контакта термопар, основа разрезалась на две одинаковых части (рис. 3.9). Термопары основы крепились следующим образом. В первой половине разрезанной основы сверлилось сквозное отверстие диаметром 1,5 мм. В отверстие вставлялась термопара с диаметром спая 0,5 мм, далее, с использованием точечной сварки, королек термопары приваривался к основе, после чего производилась шлифовка поверхности в месте сварки. Таким образом полученный спай термопары имел среднюю толщину (выступал над внешней поверхностью основы) порядка 20 - 30 мкм и представлял собой «пятно» на внешней поверхности, диаметром 3—4 мм (1). Такая технология создания микротермопарного датчика температуры на внешней поверхности дает возможность анализировать быстропротекающие процессы изменения температуры, т.к датчик является низкоинерционным, с постоянной времени г 0,1с [73]
Во второй половине основы, с внутренней стороны, просверливалось отверстие диаметром 1.5 мм и глубиной 1 мм, далее спай термопары также приваривался к плоскости основы (3). Торцевые поверхности половин изолировались двумя слюдяными прокладками (4), толщиной 0,2 мм, между которыми зажималась третья термопара (2), предназначенная для контроля температуры потока. Королек термопары выступал над поверхностью основы на 1,5 мм. Таким образом была получена «воздушная» термопара, не имеющая контакта с основой. Во второй половине основы, с внутренней стороны, просверливалось отверстие диаметром 1.5 мм и глубиной 1 мм, после чего королек термопары также приваривался к плоскости основы.
Далее производилась контрольная калибровка рабочих спаев термопар в по трем реперным точкам: тающий лед (t-О С ), кипение воды (t=100 С) и плавление алюминия (t=660C) (последняя точка снималась в муфельной печи). Компенсационные спаи находились при температуре тающего льда в соответствии с инструкциями [73,74] Наклон калибровочной кривой оказался соответствующим паспортным характеристикам хромель -алюмелиевых термопар, и составлял 39мкВ/град.
Блок - схема экспериментальной установки для диагностики дисперсной струи представлена на рис.3.10. Установка помещалась в экспериментальный бокс, концы термопар выводились на компьютер, находящийся вне бокса, через аксиальные кабели, имеющие электростатическую защиту от наводок внешних полей. Как и в экспериментальном комплексе, описанном в разделе 2.1 настоящей главы, для контроля температуры использовалась плата Ла 1,5 PCI, предназначенная для записи трех каналов.
Расстояние от среза ствола до основы выбиралось таким образом, чтобы пятно напыляемой струи захватывало все три термопары (в условиях эксперимента оптимальным оказалось расстояние 10 см). В течение цикла напыления одновременно срабатывали все три термопары, сигналы записывались в память компьютера для последующей обработки. Высокое временное разрешение платы Ла 1,5 PCI, (см. таблицу 3.1) с высокой точностью позволяет анализировать сигналы, длительностью 10" - 10"3 с, характерные для процессов детонационно - газового напыления.
