Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современного состояния проблем газотермического напыления защитных покрытий, средства диагностики и контроля теплофизических и скоростных параметров дисперсных материалов в детонационном потоке 18
1.1 Анализ газотермических методов получения покрытий 18
1.2 Патентный обзор способов детонационного напыления и устройства для детонационного напыления 26
1.3 Анализ методов и устройств контроля скоростных характеристик детонационных потоков 31
1.4 Порошковые материалы для детонационных покрытий 42
1.5 Анализ технологического процесса детонационного напыления 45
1.6 Выбор и обоснование направления научных исследований 48
Выводы из первой главы 52
Глава 2. Теоретические основы формирования и стабилизации импульсного детонационного потока. Физическая модель интегрального времяпролетного метода контроля скорости 53
2.1 Физические основы детонационно-газового напыления 53
2.2 Физические основы оптического контроля скорости и температуры запыленных плазменных струй 64
2.3 Оптический метод контроля скорости частиц в импульсном потоке по их интегральным времяпролетным характеристикам 71
Выводы по второй главе: 75
Глава 3. Экспериментальное оборудование для исследования массопереноса конденсированной фазы в детонационных потоках 76
3.1 Экспериментальная установка детонационно-газового напыления «Катунь М» 76
3.2 Разработка оптической системы на основе ствольной насадки для интегрального контроля скорости частиц в импульсном потоке 84
3.3 Функциональные блоки и узлы экспериментально-диагностического комплекса ИСТ 2.4 89
3.4 Организация цифрового канала прибора ИСТ 2.4 на основе платы сбора данных 97
3.5 Анализ ошибок измерения и методика поверки оптической системы прибора ИСТ 2.4 100
3.6 Физические ограничения предельных значений измеряемых величин 102
3.7 Эскизный расчет конструктивных размеров экспериментального комплекса ИСТ 2.4 106
3.8 Назначение и функциональные возможности программного обеспечения комплекса ИСТ 2.4 109
3.8.1 Структура программного обеспечения комплекса ИСТ 2.4 109
3.8.2 Описание интерфейса пользователя приложения DGNShot 114
3.8.3 Создание и изменение конфигурации ИИС 116
3.8.4 Запуск процесса регистрации данных о потоке ДГН 118
3.8.5 Получение корреляционных зависимостей профиля порошка от параметров дозирующих устройств 121
Выводы к третьей главе: 123
Глава 4. Результаты экспериментального исследования массопереноса порошковых СВС - материалов в детонационном напылении 124
4.1 Экспериментальное исследование скоростных характеристик порошковых СВС - материалов при детонационном напылении 124
4.2 Пример использования детонационных покрытий для создания защитных антикавитационных покрытий гильзы цилиндра дизельного двигателя 131
4.3 Пример использования детонационных покрытий для создания биосовместимых покрытий на протезы - имплантанты 135
Заключение 144
Основные выводы и результаты работы: 145
Литература: 147
- Анализ методов и устройств контроля скоростных характеристик детонационных потоков
- Физические основы оптического контроля скорости и температуры запыленных плазменных струй
- Разработка оптической системы на основе ствольной насадки для интегрального контроля скорости частиц в импульсном потоке
- Пример использования детонационных покрытий для создания защитных антикавитационных покрытий гильзы цилиндра дизельного двигателя
Введение к работе
Актуальность проблемы. Методы экспериментальной физики в настоящее время нашли широкое применение в различных направлениях науки и техники. Это относится и к технологиям упрочнения поверхностей газотермическими способами. В данной работе актуальность выбранной темы определяется потребностью современного производства в покрытиях с высокими эксплуатационными свойствами.
Одной из наиболее важных проблем в области детонационно-газового напыления (ДГН), является оптимизация режима нанесения покрытий, который зависит от набора взаимосвязанных гидродинамических, теплофизи-ческих и физико-химических параметров. Такая многопараметрическая модель требует разработки комплексного подхода к процессу измерений в нестационарных высокотемпературных потоках.
Для выхода на оптимальный режим работы установки ДГН используется метод многократных пробных напылений. Однако большое количество входных параметров в технологии, часть из которых могут быть неконтролируемыми, приводит к неполной воспроизводимости результата напыления, что отражается на качестве покрытия. Подобный способ оптимизации технологии является весьма трудоемким и продолжительным, часто дающим не полную информацию. Таким образом, актуальным является создание экспериментально-диагностического комплекса, который позволяет оперативно определять выходные температурно-скоростные параметры частиц в газовом потоке.
В существующих газотермических видах напыления используются порошки, полученные способами традиционной металлургии, что сдерживает широкое распространение методов напыления. Нанесение покрытий методом ДГН из композиционных порошков, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) существенно расширяет возможности решения материаловедческих задач.
Работа выполнена в рамках следующих научно-технических программ: «Интеграция науки и высшего образования России на 2002 - 2006 годы» по государственному контракту № 40007/1327, по программе Министерства образования РФ: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», раздел: 202.05 «функциональные порош ковые материалы», проект 202.05.01.10, региональной научно-технической программе «Алтай», номер государственной регистрации
01.200.301687№3902, инв№ 02.20.0300808.
Цель диссертационной работы заключается в создании экспериментально-диагностического комплекса, оснащенного системой интегрального контроля физических параметров гетерогенных потоков, для получения покрытий методом ДГН из материалов, полученных СВ-синтезом.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи;
Разработать методику измерения и создать устройство для диагностики интегральных скоростных параметров гетерогенного потока, определить требования к программно-аппаратной части прибора;
Определить средствами компьютерного моделирования необходимую геометрию ствола экспериментальной установки ДГН для обеспечения сверхзвукового режима напыления частиц;
Разработать прецизионное дозирующее устройство радиального ввода порошковых материалов в ствол установки ДГН;
Используя метод ДГН, получить покрытия из СВС-порошков, на основе диборидов титана и природных гидроксиапатитов.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Впервые создана автоматизированная система интегрального контроля скоростных параметров конденсированной фазы потока, позволяющая в режиме реального времени получать информацию о скорости, импульсе и относительной массе частиц детонационного потока (патент РФ № 2193781).
2.Впервые обоснованы физические принципы работы установки ДГН, в соответствии с которыми осуществляется разгон значительной доли частиц до сверхзвуковых скоростей, при этом ввод порошковых материалов в ствол установки производится в инертную пробку газа установки ДГН, на расстоянии 0,2 м от среза ствола.
З.С использованием режима сверхзвукового напыления впервые получены покрытия из композиционных СВС порошков на основе систем TiB2+Fe, TiB2+Ni, обнаружена повышенная твердость и абразивная стойкость бо-ридов титана, легированных железом и никелем (патент РФ № 2186657).
4.Впервые получено детонационным способом покрытие вещества ГА (гидроксиапатиты, класса природных минералов) на титановую основу для получения биосовместимых покрытий на протезы - имплантанты, применяемые в медицине. Методами рентгенографического анализа установлено отсутствие в конечном покрытии примесей меди, наличие которых неприемлемо, и имеет место при плазменном напылении.
5.С помощью средств компьютерного моделирования различных геометрических конфигураций ствола экспериментальной установки определен вариант внутренней геометрии канала детонационно-газовой установки, обеспечивающий сверхзвуковой режим напыления.
На защиту выносятся следующие положения диссертации:
Экспериментально-диагностический комплекс детонационного напыления, оснащенный системой интегрального контроля скоростных параметров конденсированной фазы потока.
Ранее не известный физический принцип разгона частиц порошка в инертной пробке газа в установке ДГН, при котором осуществляется ускорение значительной доли частиц до сверхзвуковых скоростей.
Методика подбора внутренней геометрии канала установки ДГН средствами компьютерного моделирования различных конфигураций ствола экспериментальной установки, обеспечивающие сверхзвуковой режим истечения конденсированной фазы потока. истечения конденсированной фазы потока.
Публикации. По материалам выполненных в диссертации исследований опубликовано 18 печатных работ, в том числе 4 патента. Практическая значимость. Представленные в работе способ и устройство газотермического напыления СВС порошков, технологии и приборы интегральной экспресс-диагностики основных параметров частиц газопорошкового потока явились основой разработки компьютеризированного измерительного комплекса. В практику научных исследований был внедрен такой компьютеризированный комплекс в Центральном Научно - Исследовательском Институте Конструкционных Материалов "ПРОМЕТЕЙ " г. С-Петербург.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунка, 6 таблиц, список литературы из 137 наименований.
В первой главе диссертации выполнен анализ существующих способов нанесения покрытий из порошковых материалов. Рассмотрены современные газотермические методы получения покрытий: газопламенный, плазменный, детонационно-газовый, ионо-плазменный, электроискровой, высокочастотный. Отмечено, что применение детонационно-газовых методов нанесения покрытий дает ряд преимуществ, а именно: прочность сцепления покрытий с изделием - 180-360 МПа (на порядок выше, чем у покрытий, нанесенных другими методами), толщина наносимого слоя от 10 мкм. до нескольких миллиметров (автором были получены покрытия толщиной около 180 мм.), существует возможность нанесения многослойных и разнородных покрытий; ввиду малой продолжительности цикла напыления температурное воздействие на поверхность детали незначительно и обеспечивает наследование свойств материала исходного порошка; высокая энергия продуктов детонации позволяет формировать покрытия из тугоплавких ма- териалов не только на металлах, но и на неметаллических материалах; и т.д. Однако существуют проблемы применения технологии ДГН покрытий: ^ более низкая по сравнению с другими газотермическими методами производительность процесса; S отсутствие рекомендаций по выбору режимов напыления различных порошковых материалов (паспорт технологии); V отсутствие квалифицированного научного анализа результатов исследований детонационных потоков (струй). Решить изложенные проблемы возможно при детальном исследовании процессов массопереноса газодисперсных компонент в высокотемпературных гетерофазных струях, путем совершенствования оборудования, на котором можно проводить экспериментально-диагностические исследования и управление технологическим режимом процесса в широком диапазоне.
В первой главе проведена патентная проработка по способам и устройствам детонационного нанесения покрытий, начиная с первого патента по данному методу №2714563 от 2.08.1955 г. автор Richard М. Poorman (USA, Union Carbide and Carbon Corporation), а также современных устройствам напыления, что позволило автору работы, в составе группы при НПО "АНИТИМ" (г. Барнаул) в 1983-1989 гг. создать опытно-промышленную установку детонационно-газового напыления порошковых материалов УДГН "Катунь", прототипом которой послужила установка ДНП-5, созданная в Луганском машиностроительном институте. Отличительной особенностью этой установки является применение конического ствола с малым углом раскрытия (4 градуса). Применение инжекторного смесителя в данном устройстве обеспечивает качественное смешивание рабочего газа. Газораспределительный узел выполнен в виде электроклапанной системы и совмещает в себе функции инжекционного смесителя газов, надежен в работе, имеет малые габариты и позволяет использовать непрерывную подачу кислорода. В установке предусмотрено использование импульсного порош- кового дозатора, повышенной точности дозирования с радиальным вводом порошковой дозы.
С использованием опыта ВМИ (г. Луганск) по созданию установок ДНП-3, ДНП-5, НПО АНИТИМ (г. Барнаул) по установке "Катунь", ИГИЛ (г. Новосибирск) по установке "Обь" и ЦНИИ КМ "Прометей" (г. С-Петербург) в АлтГТУ предпринята попытка создания новой модификации оборудования - комплекса для детонационного напыления "Аврора" с применением оптоэлектронных средств контроля и автоматизированного управления технологическим процессом.
В первой главе проведен литературный обзор по методам контроля скоростных параметров детонационного потока. Отмечено, что применение существующих методов и средств контроля конденсированной фазы в газопорошковых потоках (методы вращающихся дисков, лазерно-доплеровских, голографических, корреляционных, кино-фотосредств) во время процесса напыления или просто невозможно или ограниченно, в силу нестационарности и быстротечности импульса ДГН и, кроме этого обработка полученных данных занимает значительное время. На основании анализа научно-технической информации о методах и средствах контроля скоростных параметров сделан вывод, что для поиска оптимальных режимов работы установки ДГН и оперативного управления параметрами напыления необходимо применение новых методик и физических приборов. Наиболее полно требованиям работы в реальных условиях технологического режима отвечают времяпролетные методы и устройства оптического контроля при самосвечении конденсированной фазы в газовом потоке. Это определяет класс диагностического оборудования в составе экспериментального комплекса.
В детонационном напылении применяют те же порошковые материалы, что и при газопламенном и плазменном напылении. Однако стоит отметить, что современное развитие технологий напыления сдерживается по причине недостаточного ассортимента дисперсных материалов для получения по- крытий. Метод СВ-синтеза обеспечил возможность получения значительного числа соединений в дисперсном (порошковом) виде без больших энергозатрат. Среди материалов, технологические основы синтеза которых наиболее разработаны, особое место занимают порошки тугоплавких соединений, находящих широкое применение в промышленности благодаря сочетанию таких свойств как твердость, термическая стабильность, стойкость к абразивному износу и коррозионная стойкость. Вышесказанное предопределило интерес к проблематике разработки дисперсных СВС-материалов для нанесения покрытий различных классов. Интерметаллические соединения представляют собой класс материалов, использование которых в различных областях техники интенсивно расширяется, благодаря уникальному комплексу свойств, включающим высокие температуры плавления, повышенную механическую прочность, жаропрочность и жаростойкость, как в виде компактных материалов (изделий), так и в виде дисперсных материалов, предназначенных для получения покрытий.
Выбранное направление и объект исследований обеспечивает решение задач, сформулированных выше, позволяет разработать совершенно новый экспериментально-диагностический комплекс как для изучения процессов массопереноса дисперсных материалов, так и для создания новых покрытий на основе порошковых СВС-материалов, паспортизации свойств покрытий по технологическим режимам, совершенствовании технологического и диагностического оборудования.
Во второй главе исследований физического явления детонации в газах, приведено описание основ формирования и стабилизации импульсного детонационного потока, описана разработанная методика оптического контроля скорости запыленных плазменных струй. Сущность детонационного метода напыления порошка заключается в передаче тепла и кинетической энергии частицам порошка в результате химической реакции быстро расширяющихся газов. Качество конечного продукта зависит от нахождения оптимального режима нанесения покрытия, обусловленного комплексом взаимосвязанных гидродинамических, теплофизических и физико-химических процессов. Известно, что распространение детонационного потока описывается системой уравнений: уравнением непрерывности; уравнением сохранения импульса; уравнением сохранения энергии; соотношением ударных волн (адиабата Гюгонио). Нахождение одного из неизвестных параметров, характеризующих систему, например распределение частиц порошка по скоростям, позволяет численными методами определить остальные физические параметры технологического процесса. Контроль значений параметров процесса в условиях реального процесса путем изменения концентрации реагирующих компонентов (пропанобутановой смеси), времени ввода порошкового материала (момента и продолжительности ввода), степени загрузки транспортной среды порошковыми материалами в зависимости от расстояния до истечения детонационного потока в затопленную среду (атмосферу).
Во второй главе описан разработанный способ определения скоростей частиц в продуктах детонации и взрыва. Он заключается в последовательном выделении оптическими средствами теплового излучения от одинаковых порции частиц потока. При этом отдельную порцию частиц будем описывать как континуумы, считая их непрерывными телами и измерять время пролета каждого из континуумов известного базового расстояния, задаваемого несколькими фотоприемниками регистрирующего оптоэлектронного устройства. В качестве оптического преобразователя выступает линейная многоэлементная матрица из N фотодиодов. Метод отличается от других известных тем, что интенсивность потока частиц определяют по интенсивности светового излучения, плотность потока частиц - по разности интен-сивностей потока частиц в сечениях, задающих базовое расстояние.
Скорость частиц находят как отношение интенсивности потока частиц во входном сечении потока к плотности потока частиц на участке, задающем базовое расстояние.
Этот способ применен для построения контрольно измерительного прибора созданного и используемого в составе экспериментально-диагностического комплекса детонационного напыления порошковых, в том числе и материалов, синтезированных методом СВС.
В третьей главе описан разработанный экспериментально-диагностический комплекс детонационного напыления порошковых материалов, в том числе, полученных методом СВС. Основой этого комплекса является установка детонационного напыления «Катунь М» предназначена для нанесения покрытий из порошковых материалов на рабочие поверхности различных изделий с целью придания им качественно новых свойств по сравнению с исходным материалом. Детонационно-газовая установка «Катунь М» состоит из следующих основных узлов: блок управления; напыли-тельный блок, состоящий из ствола и форкамеры; газораспределительной станции; порошкового питателя; системы зажигания (воспламенитель горючей смеси); системы охлаждения ствола и других нагреваемых элементов конструкции установки; системы локализации сгорания горючей смеси в стволе установки; манипуляторов.
Управляющим ядром всей установки ДГН является блок управления. Это устройство обеспечивает контрольные и управляющие функции всеми основными устройствами установки и режимом технологического процесса. Блок управления позволяет задавать количество циклов в данной серии напыления, а также обеспечивает старт и остановку работы всей экспериментально-диагностической установки ДГН «Катунь М». Через систему дистанционного управления с блока управления осуществляется контроль работы манипуляторов, которые установлены в боксе детонационного напы- ления. Манипуляторы предназначены для изменения положения детали в процессе напыления.
Назначение ствола состоит в направлении и концентрации энергии взрыва горючих веществ на упрочняемую деталь, кроме этого конструкция ствола обеспечивает подачу порошковых материалов в различную область детонационного потока, обеспечивая ламинарность потока. Отличительной особенностью конструкции ствола установки «Катунь М» является коническая форма внутренней полости с углом раскрытия 4. Это позволило уменьшить длину ствола до 550 м. При этом диаметр выходного отверстия составил 20 мм.
В лаборатории СВС АлтГТУ, автором диссертации, разработан и изготовлен измеритель скорости и температуры (ИСТ 2.4), который использовался в составе экспериментально-диагностического комплекса УДГН.
В качестве платы сбора данных нами была выбрана модель ЛА-НІ0М6РСІ, производства ЗАО «Руднев-Шиляев» В работе показана перспективность применения существующих ПСД, представлено подробное описание функциональных блоков и узлов экспериментально-диагностического комплекса ИСТ 2.4. Основой прибора можно считать ствольную насадку, на которую устанавливаются светоприемники. Информация в виде различной интенсивности света передается в удаленный за границы исследовательского бокса блок первичных оптоэлектронных преобразователей, связь с которым осуществляется с помощью светопроводя-щих волокон. Для измерения скорости твердой фазы струи ДГН устанавливается по одному светоприемнику на каждом кольце ствольной насадки. Светоприемники должны располагаться на одной оси, параллельной оси ствола. Минимально достижимое базовое расстояние составляет 6 миллиметров, а максимальное определяется длиной шпилек и высотой втулок, вставляемых между кольцами.
В этой главе также проведен анализ ошибок измерения и методика поверки оптической системы прибора ИСТ 2.4, расчет конструктивных размеров экспериментального комплекса ИСТ 2.4, назначение и функциональные возможности программного обеспечения комплекса ИСТ 2.4.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований по напылению как стандартных, выпускаемых промышленностью порошков, так и материалов, полученных СВ-синтезом.
В этой главе приведены примеры использования детонационных покрытий для создания защитных антикавитационных покрытий гильзы цилиндра дизельного двигателя, выпускаемого АО Барнаул Трансмаш. Внешняя стенка данного изделия в процессе эксплуатации изнашивается не равномерно, что в значительной мере снижает срок службы конечного изделия. По причине кавитационного схлопывания разрывов в охлаждающей жидкости на внешней поверхности гильзы цилиндра возникают каверны, которые с течением времени увеличиваются как в размерах, так и в глубине. Это явление приводит к преждевременному выходу двигателя из строя, а порой может привести к катастрофическим последствиям.
На гильзы дизельных двигателей было произведено напыление керамики (А120з) и композиционного порошка ПГ-СРЗ после чего, гильзы походили испытания на экспериментальном стенде "Трансмаш". В результате, после эксплуатации в течение 8 тыс. моточасов, на поверхности образца без нанесенного слоя покрытия были обнаружены повреждения вызванные воздействием кавитационной эрозии. Однако, на поверхности образца с покрытием из никелевого порошка ПГ-СРЗ, не было обнаружено даже следов кавитационной эрозии.
В четвертой главе в виде сводной таблицы приведены результаты напыления боридов титана на стальные подложки. Видно, что покрытия из композиционных материалов, полученных методом СВ-синтеза, отличаются повышенной микротвердостью (= 70 - 80 HRA), в отличие от покрытий соз- данных серийными порошками ПГ-СР-4 (=55 HRA). Причем повышенные значения микротвердости отмечаются только при оптимальных режимах сверхзвукового напыления.
В этой же главе диссертации описаны результаты впервые проведенного детонационного напыления покрытий из вещества ГА (гидроксиапатиты, класса природных минералов) на титановую основу. Эти материалы применяются в медицине для создания биосовместимых имплантантов и преимущественно наносятся плазменными методами. При этом методе нанесения покрытия, вследствие выноса материала катода в покрытие образуются вредные для биообъектов материалы и соединения. Методами рентгенографического анализа установлено отсутствие в конечном покрытии примесей меди, наличие которых неприемлемо, и имеет место при плазменном напылении.
Приведены снятые ренгенограммы исходного порошка и покрытий при плазменном и детонационном напылении. Показано, что существует наследственность между исходным порошком и покрытием, т.е. на рентгенограмме присутствуют все основные, по максимальной интенсивности, пики исходного порошка гидроксиапатита. Определены по рентгеновским данным параметры кристалической решетки гидроксиапатита и тип сингонии.
В заключении диссертации сформулированы основные выводы и результаты, а также проблемы, требующие дальнейшего решения.
В приложение вынесены некоторые таблицы, необходимые для расчетов, и таблицы, не имеющие непосредственного отношения к теме работы, но необходимые для понимания важности исследуемых задач. Приведены копии актов испытаний, актов внедрения разработанных устройств, справки об использовании результатов диссертационных исследований.
Диссертационная работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползу нова. Основные результаты исследований опубликованы в работах [4, 29, 30, 36, 37, 38, 39, 43, 46, 47, 48, 49, 50,
73, 122, 134, 135]. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: на 5-ом Российско-Китайском Международном Симпозиуме "Перспективные Материалы и Технологии" (Байкальск, Россия, 1999 г.), 4-ой Международной научно-технической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири Сибресурс-98", (Томск, Россия, 1998 г.), Всероссийской научно-технической конференции "Современные технологии в машиностроении" (Пенза, Россия, 1998 г.), Всероссийской научно-технической конференции "Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях" (Бийск, Россия, 2000 г.), Всероссийской конференции "Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов" (г. Москва, Россия, 2002 г.).
Анализ методов и устройств контроля скоростных характеристик детонационных потоков
Основой любого детонационного напыления служит взрыв смеси горючего и окислителя, с одновременной, либо последующей загрузкой дисперсного материала [4]. Расширяющиеся продукты детонации являются ускорительным механизмом для наносимого дисперсного материала. В процессах детонационного напыления одним из определяющих факторов, влияющим на качество наносимого покрытия служит скорость напыляемых частиц, определяемая течением газового потока [28, 40]. Важным технологическим приемом повышения качества покрытий является увеличение скорости напыляемых частиц, которая способствует ускорению и интенсификации физико-химических процессов в контакте, следовательно, и повышению прочности, плотности и улучшению ряда других характеристик покрытия [45]. Существует предел скорости частиц. При напылении со скоростью частиц ниже этого предела прочность их сцепления резко снижается, частицы мало деформируются и почти не растекаются при ударе, в результате чего контактные процессы взаимодействия материала частицы и основы нарушаются. Установлено [52, 54, 56], что при скорости частиц в десятки метров в секунду рост их прочности сцепления с основой замедляется, одновременно очень слабо увеличивается относительный диаметр пятна химического взаимодействия. Соотношение скорости и температуры частиц должно быть оптимальным. Высокие скорости и температуры недопустимы из-за повышенного разбрызгивания частиц при ударе. Однако, достаточно перспективными для напыления, являются сверхзвуковые низкотемпературные плазменные струи, которые дают возможность формирования покрытий без их расплавления. Контроль высокотемпературных запыленных струй и проблемы, возникающие при этом, рассмотрены в ряде публикаций [59, 60 и др.]. Для контроля основных параметров плазменных струй с дисперсными частицами применяют следующие методы [8, 9, 32, 34, 41]: - Лазерная интерференционная анемометрия применяется для частиц DP 15MKM со скоростью Vp 300 м/с, при этом используется аргоновый ионный лазер мощностью 1,2 Вт с длиной волны 514,5 нм; - для частиц DP 15MKM используется метод фокусировки двух лазерных пучков, этот же метод используется для определения скорости плазмы, которая считается равной скорости частиц А1203 диаметром DP=3±1,5MKM, ВВОДИМЫХ В качестве рассеивающих центров в несущий поток. - Яркостный метод для определения температуры поверхности отдельных частиц по интенсивности их собственного теплового излучения, а начиная с 1983 г. метод двухцветовой пирометрии (A-i=0,8 мкм, Х,2=0,9 мкм). - Метод контроля расхода частиц в струе путем подсчета за некоторый фиксированный промежуток времени импульсов, порождаемых одиночными частицами при их прохождении через сфокусированный лазерный пучок. - Спектроскопический метод для контроля пространственного распределения температуры газа. - Контактный метод при температуре ниже 3500 К. Одним из основных параметров, описывающих нестационарный гете-рофазный детонационный поток, является скорость этого потока. Существующие методы контроля скорости потоков можно разделить на три основных: кинематические, динамические и физические [74]. Кинематические методы основаны на прослеживании соответствующими приборами движения определенного, обычно малого объема. Этот объем должен отличаться от окружающей среды специальными метками -температурой, степенью ионизации, зарядом, плотностью, светимостью, коэффициентом преломления, поглощательной способностью, радиоактивностью [23] и т. д. К кинематическим методам можно отнести такие методы как трассирование потока микро или макро-частицами, отличающимися от окружающей среды физическими свойствами, изотопами, примесями других веществ, специально вводимых в поток. Известны устройства контроля скорости потока использующие искровой, коронный или высокочастотный разряд; рентгеновское или ультрафиолетовое излучение, альфа-частицы, радиоактивные изотопы, используя ядерный магнитный резонанс. В основу динамических методов положено взаимодействие вещества потока и тела измерительного зонда или поля. Для контроля физическими методами применяются различные физические процессы в исследуемой области потока, протекание которых устойчиво зависит от значения скорости. Для контроля скорости детонационных потоков наиболее часто применяют механические системы вращения [13, 85, 87, 107]. Принцип метода заключается в том, что достаточно протяженный двухфазный поток (длиной 10-50 см) взаимодействует с диском в течение 1 - 5 мс. За указанный промежуток времени диск поворачивается, и поэтому с разными участками его взаимодействуют разные части двухфазного потока, т. е. двухфазный поток, разворачивается на плоскость диска по дуге. При этом можно получить фигуру напыления в виде полосы из напыленного материала (Рис. 1.2).
Используя вращающиеся диски, можно изучать целый ряд характеристик частиц, входящих в двухфазный поток: скорость, время напыления, концентрацию частиц в различных частях двухфазного потока и некоторые другие. Однако при использовании механических систем вращения погрешности могут быть весьма велики ( 300 %). В наибольшем числе работ используются два диска 3, 5 (Рис. 1.3), расположенных на одном валу. В более близком к стволу диске имеются отверстия 6, оси которых расположены вдоль окружности у края диска. Детонационно-газовая установка располагается так, чтобы ось ствола 1 была перпендикулярна к диску и проходила через указанную выше окружность. Выстрелы производят при произвольном расположении диска относительно ствола [13]. Различные части двухфазного потока 2 проходят через разные отверстия. Скорость определяется по смещению пятна напыления на более удаленном диске по отношению к отверстию в первом диске.
Физические основы оптического контроля скорости и температуры запыленных плазменных струй
В результате проведенных исследований по методам нанесения защитных покрытий и бесконтактным методам диагностики дисперсных сред по материалам литературно-патентного поиска отобраны для адаптации оптические методы измерения тепловых параметров, характеризующих поведение конденсированной фазы в различных процессах получения, обработки и применения дисперсно-фазных систем.
Представляет значительный научный и практический интерес создание метода и контрольно-измерительной аппаратуры, позволяющих при проведении эксперимента регистрировать с требуемым пространственно-временным разрешением одновременно несколько параметров, характеризующих гетерофазную или гетерогенную дисперсную среду. Сочетание возможностей проведения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза на подложке напыляемого образца с времяпролетной методикой регистрации конденсированной фазы является важным моментом при разработке методики и аппаратуры для изучения физики дисперсных сред.
При разработке методик и аппаратуры жесткие требования накладывают такие параметры процессов происходящих в газо-детонационных установках с применением дисперсных сред, как: - Широкий разброс гранулометрического состава исходного порошка 0-300 мкм, а, следовательно, и разброс температур частиц в газовом потоке 700-2000 С, фоновое излучение газового потока, нагретого до температуры порядка 2000 - 4000 С, скорость частиц порошка 100 - 1000 м/с, время фор-мирования единичного цикла напыления 2-10" с, полная продолжительность одного цикла напыления 0,2 с, энергетический диапазон изменения потока излучения 40 дБ. Кроме того, выходные электрические сигналы регистрирующей аппаратуры, должны быть согласованы по уровню, и допускать обработку при помощи ЭВМ, первичный преобразователь должен обладать повышенной виброустойчивостью, выдерживать большие ударные нагрузки, не вносить возмущений в исследуемый поток, иметь простую конструкцию самого преобразователя и устройства первичной обработки видеосигнала. Разработанные с начала 80-х годов оптические средства диагностики [66, 93, 100, 102], основанные на измерении времени пролета частицами заданного расстояния, не устраняют недостатков присущих методам измерения отдельных частиц, так как при этом остается неизвестным распределение частиц по температурам и скоростям, а для набора статистических данных необходимо проведения сотен и тысяч измерений. Таким образом, сочетание возможностей времяпролетнои методики и методов интегральной оценки параметров детонационного потока является одним из перспективных направлений в определении интегральных параметров исследуемых процессов по ансамблю частиц. Принципиальные преимущества оптико-электронных преобразователей и методов измерения на их основе состоят в следующем [33, 47, 49, 51, 74]: 1. Бесконтактность процесса измерения, обусловленная тем, что носителем информации является поток фотонов. 2. Высокая точность измерения достигается за счет применения аналоговых и цифровых методов обработки информации. 3. Высокие помехоустойчивость и надежность аппаратуры обеспечивается электронейтральностью носителя информации. 4. Оптикоэлектронные преобразователи не вносят возмущений в исследуемую среду и не вызывают изменения ее физических и химических свойств. 5. Дают возможность исследовать все пространство, в котором протекает процесс, поэтому являются незаменимыми при диагностике процессов в дисперсных средах, имеющие распределенные в пространстве и времени теплофизические параметры. Наиболее просто могут быть реализованы регистрирующие устройства на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС), интегральных МДП-фотодиодных матрицах (ФДМ), быстродействующих дискретных и лавинных фотодиодах. Анализ перечисленных требований, предъявляемых к измерительной аппаратуре, вытекающие из особенностей процессов порошковой металлургии, а так же перечисленные преимущества оптико-электронных систем измерения показывают перспективность разработки устройств регистрации физических характеристик на базе полупроводниковых ФДМ и дискретных фотодиодах. Наличие данной элементной базы позволяет разработать методику оценки интегральных тепловых параметров дисперсных сред. Таким образом, интегральная скоростная характеристика анализируемого ансамбля частиц в процессе ДГН может быть определена времяпролетным методом, с учетом поправок на распределение частиц по температурам, скоростям, размерам, месту ввода порошка в поток газа и других технологических параметров. Для создания автоматизированных систем управления, оснащенных оптоэлектронными устройствами регистрации текущей информации о параметрах дисперсной конденсированной фазы необходимо проведение работ в следующих направлениях: - получить сильную ударную волну при газовой детонации в трубе переменного сечения с одновременной оптоэлектронной регистрацией самосвечения частиц во фронте ударной волны; - провести исследования ранее не изученной временной динамики самосвечения двухфазного потока в процессах ДГН.
Разработка оптической системы на основе ствольной насадки для интегрального контроля скорости частиц в импульсном потоке
Интегральный метод определения скорости основанный на измерении расходной характеристики потока в двух последовательных сечениях и выделении времени транспортной задержки между ними, можно реализовать оптоэлектронными методами. Основными необходимыми условиями для реализации данного метода является удовлетворение условию непрерывности потока и условие полной регистрации импульсного потока (от начала до конца факела).
По найденным соотношениям для интегральной скоростной характеристики твердой фазы нестационарного детонационно-газового потока возможно построение прибора, реализующего времяпролетную методику измерения, заключающуюся в последовательном выделении оптическими средствами теплового излучения одинаковых порций частиц потока.
В ходе выполнения работы предполагается разработать устройство контроля, реализующее предлагаемую методику определения скоростных характеристик быстропротекающего нестационарного потока, при этом важную роль следует отвести методике оценки погрешности измерений. На ее основе есть возможность рассчитать минимальное число интервалов дискретизации для заданной порции частиц, тактовую частоту устройства контроля, верхнюю и нижнюю границу распределения частиц по скоростям и количество групп скоростей.Экспериментальная установка детонационного напыления «Катунь М» предназначена для нанесения покрытий из порошковых материалов на рабочие поверхности различных изделий с целью придания им качественно новых свойств по сравнению с исходным материалом. В качестве детонирующего состава используется смесь пропан бутан - кислородная смесь. Установка находится в изолированном, вентилируемом боксе для защиты оператора от воздействия ударных волн и предотвращения возможных чрезвычайных ситуаций, связанных с возможностью самовоспламенения горючих газов. Расход рабочих газов составляет при средней частоте выстрелов в 4 Гц не более: пропан бутановая смесь 2-3,5 м /ч; кислород 10-12 м /ч; сжатый воздух 10-15 м /ч.
Детонационно-газовая установка «Катунь М» (Рис. 3.1) состоит из следующих основных узлов: 1 - блок управления; 2 - напылительный блок, состоящий из ствола (ударной трубы) и форкамеры; 3 - газораспределительная станция; 4 - порошковый питатель; 5 - система зажигания (воспламенитель горючей смеси); 6 - система охлаждения ствола и других нагреваемых элементов конструкции установки; 7 - систему локализации сгорания горючей смеси в стволе установки; 8 - так же к элементам установки следует отнести манипуляторы.
Управляющим ядром всей установки ДГН является блок управления (Рис. 3.2). Это многофункциональное устройство обеспечивает функции, которые можно разделить на следующие группы: Контрольные функции: 1. Контроль обратного удара (в случае возникновения обратного удара перекрываются газовые магистрали, и выключается вся установка); 2. Контроль циклограммы; 3. Контроль подачи воздуха, кислорода, охлаждающей жидкости; 4. Контроль закрытия двери бокса напыления. Функции управления циклограммой: 1. Задание и контроль подачи объема горючих газов; 2. Управление клапанами, обеспечивающими подачу в напылительный блок горючего газа и окислителя; 3. На блоке управления, с помощью переключателей имеется возмож ность выбора соотношения между количеством горючего газа и окислителя; 4. Установка времени задержки между заполнением форкамеры газами и зажиганием; 5. Установка начала и продолжительности момента поднятия иглы по рошкового питателя; 6. Контроль работы вибратора, обеспечивающего перевод смеси порош ков во взвешенное состояние; Кроме этого блок управления позволяет задавать количество циклов в данной серии напыления, а также обеспечивает старт и остановку работы всей экспериментально-диагностической установки ДГН «Катунь М». Через систему дистанционного управления с блока управления осуществляется контроль работы манипуляторов, которые установлены в боксе детонационного напыления. Манипуляторы предназначены для изменения положения детали в процессе напыления. Назначение ствола состоит в направлении и концентрации энергии взрыва горючих веществ на упрочняемую деталь, кроме этого конструкция ствола обеспечивает подачу порошковых материалов в различную область детонационного потока (область инертной пробки, область ударной волны, область продуктов детонации), при этом, обеспечивая ламинарность потока. Отличительной особенностью конструкции ствола установки «Катунь М» является коническая форма внутренней полости с углом раскрытия 4. Это позволило уменьшить длину ствола до 550 м. При этом диаметр выходного отверстия составил 20 мм. Так же для стабилизации газовой струи, в выходной части ствола имеется цилиндрический участок диной 50 мм. На выступающей части цилиндрического участка осуществляется крепление ствольной насадки. Ствол, при помощи крепежа, устанавливается на форкамере. Форкамера это устройство, используемое для формирования детонационной волны. Наличие форкамеры обеспечивает высокий уровень однородности газовой смеси подаваемой во внутренние полости установки, что в свою очередь обеспечивает стабилизацию детонационного потока в ствольной части установки. Заполнение горючей смесью и продувка внутренних полостей установки осуществляется непосредственно через форкамеру. Инициирование детонации производится при помощи электроискрового разряда в свече зажигания, установленной на боковой поверхности форкамеры.
Пример использования детонационных покрытий для создания защитных антикавитационных покрытий гильзы цилиндра дизельного двигателя
В лаборатории СВС-материаловедения АлтГТУ на протяжении последних более десяти лет ведутся работы по созданию измерительной аппаратуры для диагностики быстропротекающих процессов [26]. К приборам первого поколения можно отнести стандартный комплект диагностической аппаратуры "Листик", разработанный в АлтГТУ и описанный в диссертации Гумирова М.А., который состоит из измерительной головки с первичными оптоэлектронными преобразователями и телескопической оптикой, и блока аналого-цифрового преобразователя и микроконтроллера, управляющего АЦП и канала передачи информации в ЭВМ. Оптическая головка предназначена для приема и преобразования оптического излучения в электрический сигнал, с амплитудой пропорциональной величине светового потока. В ней установлены два фотодиода, с наложенными на них апертурными масками, задающими соответствующее поле зрения. Для исследования скоростных и температурных характеристик струи УДГН оптический канал построен следующим образом (рис. 3.6). Перпендикулярно стволу пушки располагается оптическая скамья, на которой на одном уровне с осью ствола закреплена измерительная головка с телескопической оптикой. Светящиеся частицы порошка, вылетая из ствола, проходят последовательно сквозь плоскости визирования измерительной головки, и их излучение соответственно фиксируется фотодиодами ФД1 и ФД2. Измерительная головка расположена внутри исследовательского комплекса (бокса) вместе с "пушкой" УДГН и ее сигнальные каналы соединяются с блоком АЦП и микроконтроллера с помощью коаксиального кабеля. Кроме того, она использует внешнее питание для работы первичных оптоэлектронных преобразователей, которое подается по обычному кабелю. Блок АЦП преобразует два аналоговых сигнала в цифровой вид, после чего эти данные накапливаются в ОЗУ, емкостью 12 Кб на канал. По истечении заданного времени регистрации, происходит остановка регистрации данных и по команде из микроконтроллера, информация передается для дальнейшей обработки и накопления в ЭВМ.
Приведенная схема измерения обладает рядом недостатков. 1. В момент выстрела, вследствие отдачи УДГН, происходит смещение оси ствола пушки в вертикальном направлении. Измерительная головка находится на независимом от пушки основании, которое не может перемещаться синхронно со стволом. И т.к. реально одним фотодиодом отслеживается не вся плоскость сечения струи, а только некоторая ограниченная область, то при смещении ствола частицы, приобретая вертикальную составляющую скорости, на базовом расстоянии могут выходить из области визирования. Другими словами, возможна такая ситуация, когда частица (или группа частиц), зафиксированная первым фотодиодом, на базовом расстоянии полностью или частично выйдет из области визирования второго фотодиода. 2. Другой причиной снижающей корреляцию сигналов в первом и втором канале прибора контроля и увеличивающий ошибку при определении скоростных характеристик потока является сильный электрический шум, возникающий в электронном тракте устройства, вследствие работы системы зажигания пушки.
Для устранения показанных недостатков оптического и электрического каналов в лаборатории СВС АлтГТУ разработан и изготовлен измеритель скорости и температуры (ИСТ 2.4), который использовался в составе экспериментально-диагностического комплекса УДГН [135]. Основой прибора можно считать ствольную насадку с удаленным блоком первичных опто-электронных преобразователей за границы исследовательского бокса, связь с которым осуществляется с помощью светопроводящих волокон. На рис. 3.7 показаны схема проведения исследований с использованием ствольной насадки и ее функциональные узлы.
Насадка крепится непосредственно на срез ствола (рис.3.8). На ней располагаются два светоприемника, которые разнесены на базовое расстояние. Излучение пролетающих частиц попадает сначала в первый светопри емник, а затем во второй, и посредством оптоволокон достигает фотодиодов в блоке первичного преобразования. Базовое расстояние можно оперативно изменять с помощью базозадающих втулок.
Ствольная насадка двигается синхронно со стволом пушки, что позволяет устранить первый из вышеназванных недостатков. Блок первичных опто-электронных преобразователей расположен вне исследовательского бокса (рис. 3.9), что позволяет снизить воздействие электрических помех от системы зажигания пушки на электрический тракт прибора.
