Содержание к диссертации
Введение
1. Модели описания процессов движения и нагрева частиц в плазменных струях 9
2. Разработка трехмерной модели ускорения и разогрева частиц материалов в плазменных струях, и ее компьютерная реализация 40
2.1. Общие уравнения движения и нагрева дисперсных материалов при напылении 41
2.2. Одномерная и двумерная модели нагрева и движение частицы 47
2.2.1 Ограничения и допущения, использованные при построении одномерной модели 47
2.2.2 Уравнения движения и нагрева частицы 47
2.2.3 Начальные условия для одномерной модели 49
2.2.4 Двумерная модель 49
2.3. Трехмерная модель 50
2.3.1 Уравнения движения и нагрева частиц 50
2.3.2 Модель плазменной струи для трехмерной модели 51
2.3.3 Начальные условия 57
2.4. Компьютерная реализация трехмерной модели 60
2.4.1 Метод траекторий 60
2.4.2 Метод отдельных частиц 62
2.4.3 Использование методологии объектно-ориентированного проектирования. Структура объектов для модели 62
3. Исследование пригодности математической модели ускорения и разогрева частиц в плазменных струях 67
3.1. Объект исследования 67
3.2. Анализ и сравнение результатов физического и вычислительного эксперимента для частиц вольфрама 69
3.3. Проведение физического и вычислительного эксперимента по измерению скорости и температуры частиц боридов переходных металлов 88
3.3.1 Методика проведения эксперимента 88
3.3.2 Анализ результатов эксперимента 89
4. Оценка влияния технологических параметров процесса плазменного напыления на разогрев и ускорение частиц 94
5. Исследование скорости и температуры частиц тугоплавких соединений в плазменной струе и оптимизация условий напыления 127
Выводы 138
Заключение 140
Литература, 141
- Одномерная и двумерная модели нагрева и движение частицы
- Трехмерная модель
- Компьютерная реализация трехмерной модели
- Проведение физического и вычислительного эксперимента по измерению скорости и температуры частиц боридов переходных металлов
Введение к работе
Современная техника характеризуется неуклонно повышающимися рабочими температурами, скоростями, высокими и сложными нагрузками, необходимостью эксплуатации отдельных узлов, машин и механизмов в условиях одновременного воздействия механических нагрузок и агрессивных сред. Это в свою очередь вызывает необходимость усовершенствования существующих и разработки новых материалов, отличающихся повышенными физико-техническими и физико-химическими свойствами [1]. К одним из наиболее перспективных материалов подобного типа, наряду с тугоплавкими металлами и их сплавами, относятся тугоплавкие соединения типа карбидов, боридов, нитридов, силицидов, оксидов [2,3]. Высокая твердость, износостойкость, тугоплавкость, коррозионная стойкость, термическая стабильность и т.д. делает использование этих соединений в современном материаловедении весьма эффективным. Однако их применение часто ограничивается технологическими трудностями изготовления из них деталей машин и механизмов, особенно если последние имеют сложные формы и конструкции, а также значительной хрупкостью и невысокими прочностными свойствами в условиях динамических нагрузок. Поэтому гораздо целесообразнее использовать тугоплавкие соединения в форме покрытий на достаточно прочных и пластичных основах [4, 5]. Создание таких покрытий является в ряде случаев наиболее эффективным, а иногда и единственно возможным средством решения сложных технических проблем.
В настоящее время для нанесения покрытий из тугоплавких материалов большое распространение получило нанесение плазменным напылением, при котором слой покрытия образуется из потока расплавленных мелкодисперсных частиц вещества [6].
К преимуществам метода плазменного напыления покрытий необходимо отнести [7]:
возможность напыления практически любых, не разлагающихся и не сублимирующих материалов и соединений;
большие возможности управления тепловым режимом напыления;
возможность нанесения покрытий на большие и малые поверхности, на отдельные участки и детали сложной конфигурации;
низкую температуру нагрева напыляемой поверхности, что позволяет сохранять особенности структуры и свойства материала основы.
Применение метода плазменного напыления для получения жаростойких покрытий возможно лишь при условии устранения недостатков, присущих этому методу. Известно, что обычные плазменные покрытия, наносимые на воздухе и в аргоне, характеризуются наличием в них остаточной пористости, повышенным содержанием оксидных фаз и недостаточной прочностью сцепления с подложкой.
В целом задача создания защитного покрытия для того или иного изделия должна решаться комплексно, а именно, выбором оптимального его состава, использованием высокоэффективного технологического оборудования и оптимизацией технологии нанесения.
Поиск оптимальных режимов плазменного напыления покрытий предполагает варьирование большого количества факторов. В тоже время, используя лишь те или иные характеристики покрытия: твердость, износостойкость, жаростойкость и т.д., нельзя в целом решить задачу оптимизации его процесса напыления. Исходя из физических представлений процесса плазменного напыления, можно сделать вывод о том, что качество напыляемых покрытий во многом зависит от скорости и температуры распыляемых в плазменной струе частиц порошков. Ясно, что частицы в момент соприкосновения с подложкой должны быть нагреты как минимум до температуры плавления, и иметь максимально высокую скорость.
Для выбора оптимальных условий проведения плазменных процессов необходим всесторонний анализ взаимодействия частиц порошков с плазменными струями, а для этого, прежде всего, требуется построение
модели и проведение оптимизации для управления процессом в реальном времени.
В общем случае математическая модель для струйно-плазменного процесса обработки дисперсного материала должна представлять собой систему уравнений, отражающих смешение реагентов, теплообмен, фазовые переходы в исходном сырье, химические реакции и процессы формирования целевого продукта (конденсация, коагуляция, кристаллизация) с возможным наложением обратных химических реакций, причем практически все эти стадии совмещены. Моделирование процессов с переходом дисперсного вещества в газовую фазу осложняется и тем, что уменьшение размера частиц и изменение температур и скоростей фаз должно отражаться на характере взаимодействия этих частиц с газовой фазой, что требует изменения структуры соответствующих уравнений или введения уточняющих поправок при необходимости постоянного слежения за величинами определяющих критериев.
Трудности, возникающие при моделировании таких процессов, обусловливают возможность использования различных подходов, основанных на различных представлениях об определяющей роли отдельных стадий и различном уровне и объеме допущений, принимаемых при математическом описании. Из этих подходов можно выделить два основных[8]:
описание процессов с учетом эволюции параметров газовой и дисперсной фаз во времени (пространстве) при некотором упрощении представлений о механизме взаимодействия отдельной частицы с химически активным газовым потоком;
детальное описание процесса взаимодействия частицы с нагретым газом без учета динамики всей системы в целом, основанное на представлениях газокинетической теории и теории пограничного слоя; задача может быть расширена учетом процессов, происходящих внутри частиц.
7 Наиболее правильный путь состоит в разумном сочетании того и другого подхода, так как стремление наиболее полно отразить физическую сторону процесса не должно лишать модель возможности инженерного приложения. Связь результатов эксперимента с условиями осуществления технологического процесса не очевидна и не может быть определена без достаточно подробного исследования. Безусловно, практически невозможно учесть все важные для процесса факторы, и адекватность модели реальному процессу может быть проверена только при сравнении результатов вычислительного и реального экспериментов.
Следует выделить две группы задач, стоящих в настоящее время в области модельно-математических исследований процессов в плазменных струях. Первая относится к выявлению наиболее существенных факторов, оказывающих наибольшее влияние на выходные параметры процесса, например, структура струи, размеры и конфигурация рабочей зоны, наличие возмущений в потоке, способ ввода сырья, т.е. те, которые должны учитываться или закладываться в определенном варианте при аппаратурно-технологической разработке процесса. Вторая группа относится к исследованиям конкретного процесса, с целью определения его возможностей и оптимального уровня регулируемых параметров при заданном аппаратурном оформлении для разработки систем автоматического управления.
Высокоэффективное управление технологическим процессом плазменного напыления и его оптимизация позволяет существенно повысить качество наносимых покрытий, надежность и долговечность защищаемого оборудования и машин. Поэтому разработка научных основ, построение физико-математических моделей и технологических принципов напыления покрытий является актуальной задачей.
Цель работы - разработка научных подходов для исследования скорости движения и температуры нагрева частиц тугоплавких материалов в плазменных струях с использованием совместного вычислительного и
8 физического эксперимента, и прогнозирование на этой основе отдельных стадий технологий газотермического напыления.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
Построение математической модели ускорения, нагрева и испарения частиц дисперсного материала в плазменной струе.
Построение моделей плазменной струи для различных плазмообразующих газов (аргон, азот и их смеси)
Реализация предложенных модельных представлений и методов оптимизации в виде пакета программ для ЭВМ.
Проведение эксперимента по определению скорости и температуры частиц тугоплавких боридов переходных металлов в плазменном потоке.
Проведение вычислительного эксперимента на основе разработанных модельных представлений, и апробация его результатов в натурном эксперименте.
Исследование численными методами влияния технологических параметров процесса плазменного напыления (мощности дуги; расхода плазмообразующего газа; расхода транспортирующего газа; угла ввода частиц в плазму; состава плазмообразующего газа; размера частиц; давления газа в камере для напыления) на скорость и температуру распыляемых частиц тугоплавких соединений.
Выбор наиболее значимых факторов и расчет оптимальных условий проведения процесса напыления с учетом задаваемых ограничений.
Одномерная и двумерная модели нагрева и движение частицы
Ограничения и допущения, использованные при построении одномерной модели 1. Температуры и скорости газа распределены по сечению потока равномерно и меняются только вдоль его оси. 2. Влияние дисперсной фазы на струю не учитывается. 3. Исходные частицы представляют собой сферы равного диаметра, равномерно распределенные по сечению потока. 4. Температура по сечению частицы одинакова и определяется теплообменом с газом. 5. Химическая реакция и процессы конденсации не влияют на температуру газа. 6. Теплообмен излучением не учитывается. 7. Перемешивание плазмообразующего и транспортирующего газов происходит мгновенно, и расчетная среднемассовая температура газа относится к суммарному его расходу. 8. Скорость плазмы (продольное распределение) определяется экспериментально. 9. Влияние сил притяжения (ускорение свободного падения) не учитывается. 10. Ввод частицы осуществляется на оси плазменной струи с нулевой скоростью. 11. Частица движется вдоль оси плазменной струи (изменяется только координата х); радиальное распределение не учитывается. 12. Физико-химические свойства газа и материала частицы предполагались независящими от температуры. 2.2.2 Уравнения движения и нагрева частицы Уравнение движения частиц в струе для одномерного случая(2.16), (2.17) и (2.4), использовалось на первых этапах моделирования. Нагрев частиц происходит в условиях конвективного теплообмена. В модели учитывается также, что после достижения частицей температуры плавления и вплоть до начала кипения происходит интенсивное испарение, как отмечено в работах [10,11,8 ,36]. Полученные уравнения нагрева отдельной частицы в различных температурных интервалах: 1) «теплообмен до плавления», Тч Тпл Используется уравнение (2.1). Следует отметить, что испарение на этой стадии не идет, и второе слагаемое в уравнении равно нулю. Коэффициент теплопередачи рассчитывается согласно уравнению критерий Рейнольдса - по уравнению (2.4). 2) «задержка на плавление», Тч = Тш Для расчета времени проплавлення частицы использовали уравнение (2.8). Температура остается постоянной, испарение отсутствует. Принимается Ьфп=ЬпЛ. 3) «нагрев и испарение до начала кипения», Тпл Тч Ткип. Уравнения нагрева соответствуют пункту «теплообмен до плавления». 4) «кипение до полного испарения», ТЧ=ТКИП Температура постоянна. Материал частицы интенсивно испаряется. Испарение 1) «нагрев и испарение до начала кипения», Тпл Тч Ткип. Уравнения, описывающие процесс испарения до начала кипения приведены в части «общие уравнения» (2.10, 2.11, 2.12, 2.13, 2.14, 2.15). Стоит отметить, что в уравнении (2.10) ЬфП представляет собой теплоту плавления. 2) «кипение до полного испарения», ТЧ=ТКИП [10,11,49] Уравнения, описывающие процесс испарения до начала кипения приведены в части «общие уравнения» (2.10). 2.2.3 Начальные условия для одномерной модели. Для решения уравнений одномерной модели использовали следующие начальные условия: G п СР п Полученная система неоднородных дифференциальных уравнений (2.1), (2.4), (2.8), (2.14), (2.15), (2.18), (2.10), (2.11), (2.12) описывает поведение отдельной частицы при ее движении вдоль оси плазменной струи. Для реализации двумерной модели необходимо задать радиальное распределение параметров плазмы и ввести вторую координату для движения частиц и плазмы. 2.2.4 Двумерная модель z
С целью построения двумерной модели дополнительно задавали радиальные составляющие скорости и температуры Vnz , Tnz , V4Z и Т Уравнение движения частицы для двумерной модели имеет следующий є = і Для полного и более качественного изучения процессов движения и нагрева в плазменных струях необходимо построение трехмерной модели, которая позволила учитывать пространственное распределение частиц. Дополнительно в модели учитывались следующие факторы: 1. температурные зависимости свойств газов и материала частиц; 2. турбулентность плазменной струи 3. использование смесей газов; 4. положение частицы в канале ввода дисперсного материала; 5. распределение частиц по диаметрам; 6. поиск оптимальных условий проведения процесса напыления; В отличие от приводимых в литературе [10, 11,36,50], разработанная модель учитывает пространственное распределение частиц в плазменной струе. Уравнение движения частицы в «общем» виде приводится в очень многих работах [10,11,36,14,9,20]. Основная проблема заключается в выборе формулы для расчета коэффициента сопротивления. В части «Одномерная модель» данной работе они уже приведены (2.4,2.14,2.15). С учетом трехмерности эти уравнения изменятся: Теплообмен рассчитывается по уравнениям части «Одномерная модель». При использовании частиц тугоплавких соединений для коэффициента теплопередачи, на основании работ [43,44], вводили множитель (1+0,2-Bi), с целью компенсации завышения плотности теплового потока, из-за использования среднемассовой температуры в расчетах, без учета реального градиента температуры внутри частицы. 2.3.2 Модель плазменной струи для трехмерной модели Прежде чем начать моделирование процессов, происходящих с частицами дисперсного материала, стоит остановиться на характеристиках плазменной струи. От адекватности описания ее геометрии и свойств напрямую зависит точность просчетов. Экспериментальные и теоретические данные свидетельствуют о том, что структура плазменной струи в общем случае может рассматриваться, как подобная структуре обычных холодных и слабоподогретых струй газа. Они достаточно подробно исследованы в газодинамике, и включают начальный, переходный и основной участки и зону турбулентного смешения [51]. Схема струи нагретого газа приведена на рис.2.1. Углы раскрытия начального и основного участков описываются уравнениями [8,11]: ) Для продольного распределения параметров плазменной струи (температуры и скорости) из литературы [52] были взяты и аппроксимированы соответствующие функции (рис. 2.2., 2.3.). Схема струи нагретого газа При проведении испытаний и проверке модели установлена необходимость учета поперечных составляющих скорости плазмы, хотя по многим литературных источникам эти характеристики не учитывались. Тогда при отсутствии поперечных составляющих скорости плазмы нет разброса частиц в плазменной струе в поперечном направлении. В вертикальной плоскости разброс имеет место вследствие разного размера частиц и различной начальной скорости ввода порошка в струю. После детального анализа литературных источников и подстановки различных вариантов расчета в модель за основу расчета было взято решение задачи Толмина [53,51] для осесимметричной турбулентной газовой струи. Решение для осесимметричного случая в относительных координатах: а х и
Трехмерная модель
Для успешного использования математической модели ускорения и разогрева дисперсных материалов в плазменных струях необходимо, чтобы модель достаточно верно качественно и количественно описывала свойства объекта моделирования, т.е. она должна быть адекватной моделируемому объекту. Для проверки адекватности математической модели реальному процессу распыления порошков в плазме нужно сравнить результаты измерения на процессе с результатами предсказания модели в идентичных условиях [62]. Проверка адекватности позволяет оценить точность математической модели, а также может быть использована для устранения систематических ошибок в результате моделирования, обусловленных неточным заданием в уравнениях математического описания ряда численных параметров, значения которых нельзя задать достаточно точно, исходя только из теоретических предпосылок или из предшествующего опыта [62,63].
Для проверки адекватности разработанной модели нами был собран и обобщен обширный экспериментальный материал, полученный различными исследователями [10,39,54,64] и собственные измерения температуры и скорости частиц в плазменных струях. Приведенные в литературе данные очень трудно поддаются сравнению и анализу, т.к. исследования даже на однотипных материалах проводились в различных условиях с использованием разного плазменного оборудования, а в ряде случаев авторами не указывается полный комплекс входных параметров процесса напыления. В связи с этим нами была проведена разбивка анализируемых данных на группы с одинаковыми известными входными параметрами (табл.3.1).
В основе исследуемой модели лежат физические процессы,происходящие при взаимодействии частицы со струей плазмы, поэтому традиционные методы регрессионного анализа, используемые при проверке адекватности математических моделей, в данном случае оказались не применимы [65]. По этой причине в нашем случае речь может идти лишь о качественной адекватности модели реальному процессу, как, например, проводилось авторами [10,11,66]. В используемых экспериментальных данных приводятся значения скорости и температуры частиц, при этом в лучшем случае обозначается только расстояние, на котором находится частица от среза сопла плазмотрона, и отсутствуют, как правило, данные о местоположении частицы по сечению плазменной струи. С тем, чтобы как-то соотносить используемые экспериментальные результаты с расчетными по модели, в качестве расчетных использовались средние значения скорости и температуры, полученные для потока из 300 частиц, диаметром в пределах dsr±Ad, случайным образом расположенных по сечению сопла подачи порошка в струю. Для групп экспериментальных данных 1-3, имеющих значительно большее количество точек, чем в остальных группах, дополнительно отмечали значения и строили зависимости изменения скорости и температуры в струе для частиц, имеющих максимальные и минимальные значения этих величин. Выбор частиц, имеющих минимальные и максимальные значения, проводили на расстоянии 10 см от среза сопла при данном режиме напыления. Несмотря на малое количество экспериментальных точек в группах 4-10, проверка адекватности проводилась для качественной оценки модели при различных режимах напыления.
Исследования с помощью вычислительного эксперимента проводились при входных параметрах соответствующих групп табл.3.1. Группа экспериментальных данных 1Как видно из представленных зависимостей скорости и температуры (табл. 3.2,3.3, рис. 3.1,3.2), построенная модель удовлетворительно описывает нагрев и ускорения частиц вольфрама в аргоновой плазме для технологических условий группы 1. Причем все экспериментальные значения укладываются в интервал между максимальными и минимальными значениями, полученными в ходе вычислительного эксперимента с моделью. Большой разброс между расчетными минимальным и максимальным значением скоростей объясняется наличием радиальных составляющих скорости плазмы, значительным разбросом по размеру частиц и распылом частиц в сопле плазмотрона. По графикам температуры видно, что для данного случая максимальные значения скорости и температуры частиц достигаются на 4-6 см от сопла ввода, что хорошо согласуется срезультатами работы [67].
Рис.3.2 Группа экспериментальных данных 2 В группе данных 2 наблюдаем удовлетворительное совпадение экспериментальных значений со средними расчетными значениями (табл.3.4, 3.5, рис.3.3, 3.4). Хотя для скорости частиц экспериментальные значения несколько выше, но эта разница вполне укладывается в интервал погрешности при проведении эксперимента. При проведении вычислительного эксперимента учитывались все частицы, даже те, которые вылетели за пределы струи и не фиксировались в реальном эксперименте, таким образом, расчетные средние значения получились несколько заниженными. Следует также отметить, что при различных режимах в вычислительном и натурном экспериментах не всегда корректно производилась оценка коэффициента полезного действия (КПД) нагрева плазмообразующего газа при различных его расходах. Согласно работе [36]
Компьютерная реализация трехмерной модели
Первоначально в расчетах был использован частный случай метода траекторий [59]. Его суть заключается в приближении потока дисперсного материала к сплошной среде. На срезе сопла ввода частиц поток разделяется на участки равной площади, центры которых являются началом траекторий. Различные способы разбиения показаны на рис.2.4. Для каждой траектории определяются начальные условия для частиц: скорость, температура, диаметр и концентрация, которые вычисляются с помощью аппроксимирующих выражений
Способы разбиения сечения сопла для ввода частицРис.2.5 Решение системы дифференциальных уравнений осуществляется методом Рунге-Кутта. Для создания целостной картины процесса результаты расчета записываются на сетку, жестко закрепленную в рабочей области плазмотрона. Таким образом, сетка используется для хранения информации о состоянии системы и используется для визуального представления результатов процесса.
Данная математическая модель и методика расчета реализованы в виде прикладной программы [58].
Основные этапы выполнения прикладной программы: Ввод данных. Из баз данных вводятся характеристики материалов частиц, плазмообразующего и транспортирующего газов, значения которых могут быть уточнены или откорректированы. Далее задаются параметры проведения процесса: сила тока и напряжение дуги плазмотрона, давление и температура газа в рабочей области до начала процесса, начальная температура транспортирующего газа и частиц дисперсного материала на выходе из сопла их ввода.
Определение начальных условий. На этом этапе по имеющимся аппроксимационным уравнениям рассчитываются начальные значения для плазменной струи и для дисперсного материала на срезе сопла ввода частиц.Расчет. В разработанной модели разогрева и ускорения частиц мгновенное состояние в струе плазмы можно описать многомерным массивом Вцхуг, где і-среда (1-газ окружающей среды; 2-плазмообразующий газ; 3-дисперсный материал; 4-транспортирующий газ; 5-пары дисперсного материала), j-номер компоненты (для учета смесей газов и материалов), x,y,z- координаты. Для каждой і-той среды и j-той компоненты определяем группу траекторий в пространстве.
Вывод результатов. Графическое представление результатов проведения эксперимента, в виде срезов плоскостью и представлением значений функций цветом.При проведении вычислительного эксперимента для частиц вольфрама были получены результаты, совпадающие с экспериментальными.
Представленный метод расчета пригоден для моделирования физических процессов в случае, когда граничные условия заданы не на всей рабочей области (в отличие от метода конечных элементов для сплошных сред). Этот метод позволяет учитывать распределение частиц в пространстве с помощью траекторий, но не учитывает (только в рамках рассматриваемой реализации) распределение частиц внутри траекторий. Также этот метод расчета очень удобен при поиске оптимальных условий, а именно при поиске максимальной скорости в средней части потока при условии проплавлення частиц.
После проведения многократных вычислений установлено, что данный метод имеет очень низкую скорость расчета и недостаточную точность. Из-за усреднения значений скорости и температуры частиц при записи на сетку аппроксимация решения системы в некоторых случаях становится несогласованной. Поэтому в дальнейшем метод расчета был модернизирован.
При моделировании этим способом рассчитывали характеристики движения и температуру только отдельной частицы, расположенной случайным образом на срезе сопла ввода дисперсного материала. Для нее вычисляли начальные условия: положение, скорость, температура, диаметр. Число частиц задается пользователем и соответствует количеству параллельных просчетов. Распределение частиц по диаметрам осуществляется по системе случайных чисел в пределах заданных ограничений. Это позволяет также учесть пространственный разброс частиц, неравномерность их прогрева и ускорения.
При переходе от двухмерной модели расчет значительно усложняется. Было установлено, что турбулентность плазменной струи приводит к расширению и появлению радиальных составляющих скорости.проектирования. Структура объектов для модели.
При реализации полученной модели, нужно учитывать большое количество параметров и их сложную взаимосвязь между собой. По этой причине для построения качественной реализации модели сложного процесса был использован объектно-ориентированный подход [60,61]. В основе объектно-ориентированного подхода лежит представление о том, что программную систему необходимо проектировать как совокупность взаимодействующих друг с другом объектов, рассматривая каждый объект как экземпляр определенного класса, причем классы образуют иерархию. Таким образом, можно выделить следующие положения: 1) объектно-ориентированный подход использует в качестве базовых элементов объекты, а не алгоритмы; 2) каждый объект является экземпляром какого-либо определенного класса; 3) классы организованы иерархически. Программа будет объектно-ориентированной только при соблюдении всех трех указанных требований. Ниже представлена структура объектов (рис 2.6), использованная при реализации модели построения покрытия, соответствующая этим требованиям: 1. Материал: исходный родительский класс объектов, содержит в себе физические свойства материалов и методы работы с ними (считывание из базы данных, изменение, запись в базу и т.д.) 2. Частица: наследник от класса Материал. Основной класс объектов. Содержит исходные параметры частиц, обрабатываемых в дисперсном потоке, такие, как скорость, температура, степень проплавлення, диаметр и физические свойства частицы как материала. При моделировании может создаваться несколько экземпляров этого класса. 3. Плазма: исходный родительский класс, необходимый для моделирования плазменной струи. Содержит в себе массив экземпляров типа «газ», для учета смесей газов в расчетах, все параметры плазменной струи, такие как скорости, распределение температур. А также экземпляр класса Плазмотрон для задания параметров плазменной струи. 4. Плазмотрон: класс объектов, определяющих параметры плазмотрона (напряжение, сила тока, диаметр сопла, расход газа, координаты сопла в пространстве) и начальные свойства плазменной струи. 5. Устройство ввода частиц: класс объектов, содержащих исходные параметры ввода частиц, транспортирующий газ в виде массива объектов типа «газ». 6. Рабочая область: класс объектов, определяющий параметры рабочей области процесса: геометрические размеры, газ окружающей среды, температуру и давление. 7. Процесс: объект, содержащий в себе экземпляры классов Плазма, Частица, Рабочая область, Устройство ввода частиц и т.д., а также методы решения уравнений модели, вывода и отображения результатов моделирования. Служит для фактического расчета процесса по модели. Диаграмма иерархии объектов Диаграмма взаимодействия объектов
Проведение физического и вычислительного эксперимента по измерению скорости и температуры частиц боридов переходных металлов
Качество плазменных покрытий во многом определяется выбором режима напыления. Причем использование того или иного состава напыляемого порошка влечет за собой обязательную корректировку технологических параметров напыления. Связано это, прежде всего, с различием физических свойств используемых порошков для напыления, которые в конечном итоге определяют температуру и скорость напыляемых частиц. Из целого комплекса факторов, оказывающих влияние на процесс распыления порошков в плазменных струях, нами были выбраны следующие наиболее существенные:
Влияние мощности дуги плазмотронаПостоянные параметры: плазмообразующий газ аргон, расход 0,9 г/с, расход транспортирующего газа 0,009 г/с, угол наклона сопла ввода частиц 90, давление в рабочей области 1 атм., диаметр частиц 60±10 мкм, материал частиц - диборид титана.
В результате проведенного вычислительного эксперимента были получены следующие (рис 4.1 - 4.2) зависимости средних значений скорости и температуры от расстояния от среза сопла плазмотрона и мощности дуги. Средние значения определяли по 300 частицам, вводимым в плазменную струю, за исключением частиц, которые покидали область струи и не достигали отметки 10 см от среза сопла плазмотрона.
Влияние мощности дуги на изменение средней скорости частиц На рис. 4.3 и 4.4 показано состояние частиц ТіВ2-скорость и температура в аргоновой плазме, причем это состояние непосредственно связано с их положением в пространстве, что показано на рисунках траекториями частиц. Положение частиц в плазменной струе во многом определяется режимами распыления. Характерно, что, например, при переходе от вольфрама к более легкому ТіВг наблюдается изменение структуры плазменной струи с частицами, а именно значительное ее расширение, особенно при увеличении мощности дуги плазмотрона (рис.4.3, 4.4).
В соответствии с данными работ [67,73], повышение мощности дуги приводит как к возрастанию скорости частиц, так и к увеличению их температуры вследствие повышения температуры и скорости плазменной струи. Для частиц диборида титана наблюдается возрастание разброса частиц при повышении мощности, что связано с увеличением роли поперечных составляющих скорости струи. Вследствие повышенного разброса частиц при мощности 10,5 кВт, средняя скорость частиц в направлении оси струи незначительно отличается от средней скорости при мощности 8,5 кВт. При построении модели мощность дуги определяла начальные параметры плазменной струи. Модель позволяет задать практически любую мощность струи, и полученные результаты необходимо сопоставлять с реальными экспериментальными данными, а также с условиями, при которых осуществляется устойчивое горение плазменной дуги в плазмотроне, а также тот фактор, что значительное повышение силы тока вызывает возрастание эрозии электродов и снижение стабильности горения дуги [74].
Влияние расхода плазмообразующего газаПостоянные параметры: плазмообразующий газ аргон, расход транспортирующего газа 0,009 г/с, угол наклона сопла ввода частиц 90, давление в рабочей области 1 атм., диаметр частиц 60±10 мкм, материал частиц - диборид титана. Мощность дуги 8,5 кВт.
Траектории и скорость частиц диборида титана в плазменной струе Плоскость Y-Z на расстоянииРасход плазмообразующего газа: 1-0.6 г/с, 2- 0.9 г/с, 3 -Рис.4.8.0.6 т 0.3- т- ф,/- 0.S- 1.2 г/с
Посредством вычислительного эксперимента получены следующие зависимости (рис. 4.5, 4.6) средних значений скорости и температуры от расстояния по оси X, а также расчетные траектории движения (рис 4.7, 4.8) частиц ТіВг. Негладкость зависимости скорости обусловлена усреднением скоростей частиц, причем определенная часть частиц попадала на периферийную область струи, где практически отсутствуют нагрев и ускорение частиц.
Увеличение расхода плазмообразующего газа ведет к росту скорости и снижению температуры струи, поскольку количество подводимой энергии остается постоянным, а объем проходящего через электрическую дугу газа увеличивается. В результате происходит рост скорости частиц. Уменьшение температуры частиц объясняется падением температуры струи и меньшим временем пребывания частиц в струе. Как показал эксперимент, при увеличении скорости плазменной струи усложняется процесс ввода частиц в центральную высокотемпературную часть струи. Для этого необходимо увеличить расход транспортирующего газа, а это приводит к чрезмерному охлаждению плазмы. Полученные результаты достаточно хорошо согласуются с данными, приведенными в литературе [10,39,64], хотя в литературе отмечается отсутствие существенной зависимости состояния частиц напыляемого материала от расхода плазмообразующего газа.Влияние расхода транспортирующего газа
Постоянные параметры: плазмообразующий газ аргон, расход 0,9 г/с, угол наклона сопла ввода частиц 90, давление газа в рабочей области 1 атм., диаметр частиц 60±10 мкм, материал частиц - диборид титана, мощность дуги 8,5 кВт.
Расход транспортирующего газа определяет начальное положение частиц порошка в месте ввода в струю и вертикальную составляющую начальной скорости (ось Z). Результаты исследования влияния транспортирующего газа на состояние частиц представлены в виде зависимостей средних значений скорости и температуры от горизонтальной координаты, а также в виде траекторий частиц (рис 4.9-4.12).
Анализ полученных зависимостей показывает, что максимальное значение скорости частиц может быть достигнуто лишь при расходах транспортирующего газа около 0,01 - 0,015 г/с. При меньших значениях частицы или не попадают с область струи с высокой скоростью, или же находятся в этой области слишком мало времени. Характер изменения температуры частиц практически не меняется при расходах транспортирующего газа 0,01 - 0,015 г/с и температура существенно повышается при значениях 0,005-0,009 г/с. По-видимому, при таких расходах частицы хоть и не попадают в самую высокотемпературную область струи, успевают нагреться и в периферийной области, за счет того, что имеют низкую скорость движения. В случае же слишком большого расхода транспортирующего газа (более 0,025 г/с) большинство частиц пролетают сквозь плазменную струю, за счет этого средние значения скорости и температуры получаются низкими (скорость до 16 м/с, температура менее 1700 К). Следует отметить некоторую неадекватность, которая возникает при расчетах с большими значениями расхода транспортирующего газа, так как в используемой модели (гл.2) не учитывается влияние транспортирующего газа на плазменную струю, его расход определяет лишь начальную скорость частиц при вводе ее в плазму.
