Введение к работе
Актуальность темы. Изучение неизотермических струйных течений с конденсированной фазой представляет значительный интерес для совершенствования плазненных технологий Снанесение защитных покрытий, дисперсизация и сфероидизация порошков и т.п.Э. При плазменном напылении материал покрытия в виде порошка или проволоки вводится в плазменную струю, где интенсивно нагревается, плавится, распыляется и транспортируется к подложке, при взаимодействии с которой образуется покрытие.
Свойства покрытия в целом определяются ускорением и нагревом отдельных частиц в плазменной струе и их контактным взаимодействием с напыляемой основой. В случае нанесения покрытия из порошка трудно добиться его равномерного и полного плавления в сечении пятна напыления, несмотря на высокую температуру плазменной струи. Характерными особенностями струйных течений, используемых в процессах обработки порошковых материалов являются: 13наличие значительных градиентов скорости и температуры в поперечных сечениях струи, что обуславливает различную скоростную и температурную предисторию частиц порошковых материалов; 23высокая степень турбулентности, обусловленная крупно-и мелкомасштабным шунтированием дуги и приэлектродными процессами, а такхе перевешиванием потока с холодным газом окружающей среды. Многообразие факторов, оказывающих влияние на структуру напылительного потока, на интенсивность и характер межфазного обмена импульсон, теплом и массой проявляется в том, что в достаточно малом локальном объеме струи конденсированная фаза может иметь статистические распределения частиц по размерам, скоростям и температурам.
Анализ существующего положения, сложившегося в нетодах диагностики гетерогенных высокотемпературных потоков, показывает перспективность использования бесконтактных, оптических методов измерения скоростей и температур фаз, концентрации дисперсных частиц и функции распределения их по размерам. Однако, существующие методы диагностики дисперсной компоненты позволяют измерять либо осредненные по сечению струи параметры частиц, либо локальные значения одного из параметров.
Исходя из вышеизложенного, для исследования высокотемпературных запыленных струй представляет значительный научный и
практический интерес создание диагностической аппаратуры, позволяющей при проведении эксперипента регистрировать с хороший пространственный разрешением одновременно несколько параметров одиночных частиц в запыленных плазменных струях.
Тематика диссертационной работы входит в план научно-исследовательских работ Института теплофизики СО РАН.
Цоль работы и задачи исследования. Целью работы являлась разработка диагностической аппаратуры для одновременного локального измерения параметров одиночных частиц Сскорость. температура, размер? и получение данных о поведении частиц в запыленных плазменных струях, а также при их взаинодействии с подложкой.
При разработке методики и аппаратуры ны исходили из следующих
требований: 1Эизмерения должны проводиться на фоне излучения
плазмы с температурой до 6000 К при использовании азота в качестве
плазиообразующего газа и до 10000 К при работе на аргоне и
аргон-азотных смесях; 2Эдолжна обеспечиваться пространственная
локализация области измерений не хуже 1нн ; 3Dпараметры,
характеризующие конденсированную фазу должны удовлетворять
условиям: размер частиц d е 120+1003икм, их скорость v е tlO+2003
Р Р
п/с и температура Т > 1500 К; 4Эвыходные электрические сигналы
р должны быть стандартизованы по уровню и допускать сбор и
предварительную обработку с помощью ЭВМ в реальном времени.
Автор защищает: -автоматизированную диагностическую аппаратуру для одновременного локального измерения параметров одиночных частиц Сскорость, температура} в высокотемпературных запыленных струях и их статистических распределений;
-полученные экспериментальные данные, характеризующие поведение частиц А1 О в ламинарной и турбулентной плазменных струях, генерируемых плазмотронани с самоустанавливающейся длиной дуги; -результаты экспериментального исследования процесса взаимодействия единичных расплавленных частиц с подложкой в условиях полного контроля режимных параметров.
Научная новизна: -реализована диагностическая аппаратура для одновременного локального измерения температуры и скорости одиночных частиц по их
собственному тепловому излучению в высокотемпературных запыленных струях, причем применение лазерного зондирования для запуска измерительной аппаратуры позволяет получать более полную информацию о тепловой обработке порошковых материалов; -получены экспериментальные данные о поведении частиц А1 О в ламинарной плазменной струе, согласующиеся с расчетными в пределах погрешности измерений;
-получены экспериментальные данные о поведении частиц А1 О в турбулентной плазменной струе, генерируемой плазмотроном с самоустанавливающейся длиной дуги, которые вскрывают особенности обработки порошка в струях плазмотронов данного типа; -создана физическая установка для выделения одиночных нагретых частиц из плазменной струи и регистрации их параметров Стемпература, скорость, размерЭ непосредственно перед ударом об основу; получены экспериментальные данные, характеризующие морфологию одиночных частиц F» В , закрепившихся на основе, при
SO 20
полном контроле режимных параметров Стемпература, скорость, размер частиц и температура подлохкиЭ.
Достоверность полученных результатов обоснована анализом погрешностей измерений. В частности, получены расчетные и экспериментальные оценки методической и инструментальной погрешностей измерения цветовой температуры частиц А1 О . Показано, что в высокотемпературных запыленных струях достаточны измерения цветовой температуры частиц, поскольку применение методов полихроматической пирометрии' для уменьшения методической погрешности требует измерения пирометрических сигналов с точностью не хухе 1-2. что крайне затруднено из-за больших скоростей частиц и невозможности увеличения измерительной базы вследствие излучения газовой компоненты. Приведены оценки влияния качества формируемого изображения частиц иа погрешность измерения их скорости и размера. Показано, что для удовлетворительного измерения размера частиц по их собственному тепловому излучению необходим учет требований по величине локализации измерительного объема и обеспечению качества формируемого при этом изображения.
Практическая иенность работы заключается в разработке и применении диагностической аппаратуры для одновременного
локального измерения параметров частиц Сскорость, температура? в запыленных струях, что представляет известный интерес для отработки конкретных высокотемпературных технологических процессов, протекающих в присутствии конденсированной фазы. Ряд результатов, полученных автором, был использован при оптимизации 'технологий нанесения порошковых покрытий и способствовал корректной интерпретации данных материаловедческого эксперимента.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались на 2-й Всесоюзной конференции молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" СНовосибирск, 1987г.Э; 1-ом Всесоюзном семинаре "Оптические методы исследования потоков" СНовосибирск, 1989г.Э; Международном рабочем совещании "Плазменные струи в развитии технологий новых материалов" СФрунзе,1990г.Э; 10-ом Международном симпозиуме по плазмохимии СБохум Германия,1991г.Э.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 8 работах.
Объем и структура Эиссвртаиии. Диссертация состоит из введения, трех глав, основных выводов и списка цитируемой литературы. Содержание изложено на 138 страницах машинописного текста; включая 51 страницу с иллюстрациями и таблицами, а также список цитируемой литературы из 100 наименований.