Введение к работе
Актуальность проблемы.
Актуальность технологической задачи в области плазменного и детонационно-газового напыления (ДГН) металлических и композиционных порошковых покрытий на изделия связана с улучшением функциональных характеристик (прочность связи с основой, структура пористости, кристаллическая структура и т.д.), обеспечивающих более высокий ресурс их эксплуатации. Такие покрытия производятся с помощью мелкодисперсного порошка частиц металла или их оксидов, распыленных дозатором технологической установки напыления в процессе загрузки порошка, например, в струю плазматрона или струю ДГН, истекающей из выходного «сопла» установки напыления. Объемная плотность напыляемых частиц в транспортирующей струе обычно не велика, поэтому такие гетерогенные многофазные потоки называют «запыленными» струями.
При плазменном напылении покрытий в последнее время применяют и комбинированные технологические способы, использующие предварительно активированные механосинтезом и модифицированные наночастицами агломераты частиц (микрокомпозиты). Свойства и функциональные характеристики порошковых покрытий в процессе их формирования во многом определяются параметрами скорости и температуры частиц дисперсной фазы, которые являются распределенными динамическими параметрами двухфазного потока, так как в любом поперечном сечении потока (и в целом по всему потоку) частицы характеризуются изменяющимися во времени определенными распределениями по скоростям, температурам, размерам и другим параметрам. Поэтому измерение только лишь одного «осредненного» значения температуры, а также и одного «осредненного» значения скорости частиц, в непосредственной близости к напыляемому покрытию не может считаться достаточным, так как, кроме частиц потока с «осредненными» значениями температуры и скорости, на функциональные характеристики покрытия оказывают влияние и все остальные частицы потока с отличающимися значениями температур и скоростей. Следует заметить, что б потоке в действительности может и не оказаться частиц с «осредненными» значениями температуры и скорости, например, когда температурное распределение частиц состоит из неперекрывающихся разнесенных между собой двух мод и «осредненное» значение температуры частиц приходится на промежуток между ними. Следовательно, вид распределений и значения их параметров оказывают существенное влияние на функциональные характеристики напыляемых покрытий.
Измерение скорости и температуры дисперсной фазы потока в технологии ДГН затруднено в связи с проявлениями характерных особенностей процессов взрыва и горения. К тому же, при разработке большинства приборов
измерения температурно-скоростных параметров высокотемпературных быстропротекающих технологических процессов получения покрытий не всегда учитывается гетерогенность и дисперсность сред, высокая температура, быстротечность и распределенный характер измеряемых параметров. Кроме того, частицам дисперсной фазы, рассматриваемым как конденсированная фаза потока, в различных сечениях струи характерна определенная степень динамической и тепловой неравновесности фаз двухфазного потока.
В связи с этим, необходим комплексный подход, опирающийся на развитие физико-математических моделей процессов напыления и на разработку методов и аппаратуры для оперативной диагностики состояния дисперсной и газовой фаз в потоке, а также свойств получаемых покрытий.
Состояние вопроса.
Быстродействующие бесконтактные оптико-электронные анемометры позволяют получать данные о динамике сверхскоростных гетерогенных потоков и новых эффектах в дисперснофазных средах, характеризующихся появлением локальной самоорганизации и стратирования потока в виде метастабильных кластеров. Среди методов измерения скорости двухфазных потоков или их компонентов следует выделить: лазерно-доплеровскую анемометрию (ДЦА), интегральные и дискретные время-пролетные методы, а также быстроразвивающиеся в последнее время стробоскопические «трековые» методы измерения скорости потока частиц с помощью быстродействующих оптических затворов и телевизионных CCD-матриц высокого разрешения. В области ЛДА следует выделить труды и научные публикации Ю.Н. Дубнищева и Б.С. Ринкевичюса. Методы ЛДА позволяют определять локальные скорости в различных локальных участках фиксированного поперечного сечения потока, однако такой способ накопления статистики по скорости происходит в различные моменты времени быстропротекающего процесса. Поэтому в фиксированном поперечном сечении потока гистограмма распределения скоростей частиц, определяемая традиционным методом накопления статистики по отдельным частицам, пересекающих это сечение в различные времена (соответствующих различным пространственно-временным состояниям), может не соответствовать истинному распределению скоростей частиц (поток может быть не полностью стационарным и эргодическим).
В области интегральных и дискретных время-пролетных методов измерения скорости частиц двухфазного потока можно выделить публикации П.Ю. Гуляева с соавторами.
Среди стробоскопических «трековых» методов измерения скорости с помощью быстродействующих оптических затворов и телевизионных CCD-матриц высокого разрешения можно отметить публикации Ф. Бианканьелло, К. Прессера и С. Ридцера.
В настоящее время узкозонным полупроводниковым приемникам (Х=8...14 мкм), основанным на генерации светом носителей заряда по
механизму "зона-зона" присуще ряд недостатков: высокий уровень шумов, вызывающий необходимость их глубокого охлаждения, трудность в организации режима накопления, низкие воспроизводимость и надежность, низкая стойкость к радиации и воздействию внешней среды.
Перспективны для устранения указанных недостатков широкозонные пироэлектрические приемники ИК-излучения, которые имеют широкий рабочий диапазон ИК-излучения (Х,=1...15 мкм). К тому же, регистрировать собственное излучение слабонагретых объектов и тем более наблюдать малые перепады температуры на их поверхности не позволяют ни специальные фоточувствительные материалы, ни телевизионные трубки с полупроводниковой мишенью. Наибольшей эффективностью обладают оптико-электронные системы измерения скорости и температуры, в том числе системы на основе пироэлектрических детекторов, которые обладают потенциально высокими технико-эксплуатационными характеристиками.
В области методов спектральной пирометрии как наиболее перспективных в настоящее время можно выделить публикации А.Н. Магунова, Л.Н. Латыева, К. Мураока, М. Маеда и многих других. Однако и у этих авторов при измерении температуры практически не учитывается распределенный характер данного параметра, определение которого связано с решением традиционно сложной «обратной» задачи.
Дальнейшее развитие технологий в области микро- и наноэлектроники по созданию наногетероструктур, а именно, по созданию фотоприёмников на эпитаксиальных гетеросгруктурах с квантовыми ямами и фотоприёмников на квантовых точках, расширяет на новом качественно более высоком уровне возможности схемотехники СБИС для разработки и реализации новых регистрирующих приборов и устройств. Например, твердотельные полихроматоры, в том числе в виде наноразмерных покрытий прямо на поверхности чувствительного элемента фотоматрицы, позволяют почти на три порядка увеличить мощность оптического сигнала, регистрируемого датчиком, за счет отсутствия входных апертурных щелей, а заодно и самого монохроматора. Тем самым, оптико-электронные и тепловизионные микропроцессорные измерительные системы расширяют возможности исследования быстропротекающих гетерогенных процессов в области экспериментальной физики и промышленных технологий.
Цель работы заключается в разработке методов и автоматизированных приборных комплексов, предназначенных для измерений скорости и температуры частиц как распределенных параметров двухфазного потока в быстропротекающих процессах напыления порошковых покрытий, и использование которых позволяет оптимизировать технологии напыления порошковых покрытий с улучшенными функциональными характеристиками.
Задачи исследования:
-
Разработать метод измерения скорости частиц как распределенного параметра двухфазного потока в быстропротекающих процессах напыления порошковых покрытий.
-
Разработать метод измерения температуры частиц как распределенного параметра двухфазного потока в быстропротекающих процессах напыления порошковых покрытий.
-
Создать автоматизированные комплексы с программно-аппаратным обеспечением для измерения скорости и температуры как распределенных параметров двухфазного потока в быстропротекающих процессах напыления порошковых покрытий.
-
Разработать методики и устройства калибровки и тестирования автоматизированных комплексов для измерения скорости и температуры как распределенных параметров двухфазного потока в быстропротекающих процессах напыления порошковых покрытий.
Научная новизна результатов исследований:
-
Разработан метод измерения скорости частиц как распределенного параметра двухфазного потока в быстропротекающих процессах напыления порошковых покрытий с использованием многоканального пироэлектрического детектора, обеспечивающего с высокой эффективностью за счет широкого спектрального диапазона учет в выходном сигнале вклада излучения от «низкотемпературных» частиц, тем самым способного измерять с большей достоверностью, чем фотодиодные и ПЗС-фотоприемники, концентрацию неоднородно нагретых частиц в измерительном объеме.
-
Разработан метод измерения температуры частиц как распределенного параметра двухфазного потока посредством «обращения» их интегрального теплового спектра в виде разложения по «виновским» спектрам. Процедура метода по восстановлению гистограммы температурного распределения частиц характеризуется численной устойчивостью, благодаря применению адаптации «многоцикловых встречных» прогонок к системе рекуррентных уравнений, содержащей неизвестные компоненты температурной гистограммы.
-
Созданы автоматизированные комплексы для измерения скорости и температуры как распределенных параметров двухфазного потока в быстропротекающих процессах напыления порошковых покрытий. Комплексы на основе измеряемых параметров скорости и температуры частиц позволяют исследовать волновую динамику двухфазного потока частиц в различных его пространственных сечениях при напылении покрытий, визуализировать результаты исследования в ходе процесса напыления, способствуя тем самым эффективному решению технологической задачи получения покрытий с заданными функциональными характеристиками.
-
Разработан способ высокоточной стабилизации выходного тока импульсного стабилизатора с цифровым адаптивным ШИМ-регулированием,
обеспечивающий прецизионное управление температурой эталона «абсолютно черного тела» для калибровки регистратора теплового спектра потока частиц.
Методы исследования и достоверность полученных результатов.
Решение поставленных в диссертационной работе задач осуществлялось методами экспериментальной физики, численного и аналитического моделирования. Среди них можно выделить методы электрических измерений, в том числе методы измерений на основе многоэлементных приемников излучения (фотоприемников) и оптико-электронных приборов, вычислительные методы, методы решения обратных задач, методы статистической обработки экспериментальных данных. В качестве основных теоретических положений и направлений использовалась теория взаимодействия излучения с веществом (излучение и поглощение света), физика полупроводников и др.
Достоверность полученных результатов обеспечена адекватным применением теории измерений, теории погрешности и цифровой обработки сигналов, применением стандартных приборов. На всех этапах работы происходило сопоставление полученных результатов с теоретическими моделями, результатами математического и компьютерного моделирования, а также с результатами тестовых физических экспериментов. Проводилось апробирование методик на тестовых данных.
Практическая ценность работы:
Разработанный метод измерения многоканальным пироэлектрическим детектором скорости частиц как распределенного параметра двухфазного потока в быстропротекающих процессах напыления покрытий и на его основе созданный автоматизированный измерительный комплекс позволяют оценивать неоднородность параметра скорости потока частиц в различных его сечениях, а также контролировать динамику этой неоднородности в процессе напыления покрытия непосредственно на технологической установке напыления.
Данный метод с учетом особенностей его калибровки может быть применен для измерения и контроля скорости фронта волны горения в процессе «самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС)» порошковых материалов с целью анализа и управления динамикой процессов структурных и фазовых превращений в ходе реакции СВ-синтеза.
Разработанный метод измерения температуры частиц как распределенного параметра двухфазного потока посредством «обращения» их интегрального теплового спектра в виде разложения по «виновским» спектрам, а также на его основе созданный автоматизированный измерительный комплекс позволяют оценивать температурную неоднородность потока частиц в различных его сечениях и контролировать динамику этой неоднородности в
процессе напыления покрытия непосредственно на технологической установке напыления (на плазматроне или на установке ДГН).
Созданные автоматизированные измерительные комплексы позволяют проводить исследования структуры и динамики двухфазного потока частиц в различных его пространственных сечениях при напылении покрытий, в частности, непосредственно вблизи перед покрытием изделия. Это дает возможность контролировать и поддерживать необходимые оптимальные параметры взаимодействия частиц с напыляемой поверхностью и, тем самым. дает возможность целенаправленно влиять на функциональные характеристики покрытия. Возможность визуализации результатов измерения в ходе процесса напыления повышает эффективность работы оператора технологической установки напыления.
Разработанный способ высокоточной стабилизации выходного тока импульсного стабилизатора с цифровым адаптивным ШИМ-регулированием обеспечивает прецизионное управление температурой модели (эталона) «абсолютно черного тела» для калибровки регистратора теплового спектра потока частиц.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
-
Метод измерения скорости частиц как распределенного параметра двухфазного потока в быстропротекающих процессах напыления порошковых покрытий с использованием многоканального пироэлектрического детектора.
-
Метод измерения температуры частиц как распределенного параметра двухфазного потока посредством «обращения» их интегрального теплового спектра в виде разложения по «виновским» спектрам с использованием «многоцикловых встречных прогонок» для регуляризации процедуры восстановления гистограммы температурного распределения частиц.
-
Автоматизированные комплексы для измерения скорости и температуры как распределенных параметров двухфазного потока в быстропротекающих процессах напыления порошковых покрытий.
Публикации:
Основные результаты диссертации опубликованы в 14-ти печатных работах, из них 6 статей опубликованы в журналах из списка ВАК.
Апробация работы:
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научно-практических конференциях: Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития - Томск, 2007г.; Моделирование неравновесных систем «МНС-2007», - Красноярск 2007 г, Актуальные
проблемы радиофизики «АПР 2008» - Томск 2008 г., Моделирование неравновесных систем «МНС-2008», - Красноярск 2008г., Виртуальные и интеллектуальные системы «ВИС-2009», - Барнаул 2009 г., Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности - Санкт-Петербург 2009г., Актуальные проблемы радиофизики «АПР 2010» - Томск 2010 г.
Структура н объем работы:
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации - 179 страниц текста, в т.ч. 148 страниц основного текста, диссертация содержит 34 рисунка, 1 таблицу, 11 приложений на 31 страницах, список литературы из 111 наименований.
