Газодинамические покрытия из порошковых материалов 1

Предисловие

Успешное решение задач повышения эффективности общественного производства и перевода экономики страны на путь преимущественно интенсивного развития тесно связано с ускорением научно-технического прогресса. В этой связи создаются принципиально новые виды техники и технологии, предпринимаются попытки повышения производительности труда во всех отраслях народного хозяйства. В этих условиях особое значение приобретают проблемы надежности и долговечности машин и механизмов, экономного использования материалов, энергии и трудовых ресурсов. Решение этих проблем неразрывно связано с обеспечением эффективной защиты поверхности деталей и конструкций от коррозии и изнашивания. К середине 70-х годов нашего столетия человечеством добыто и выплавлено в общей сумме не менее 20 млрд. тонн железа, а весь мировой металлофонд (железо в сооружениях, машинах, механизмах) составляет в настоящее время лишь около 6 млрд. тонн [733]. Следовательно, 14 млрд.тонн железа рассеяны по планете в виде тонкодисперсных продуктов коррозии и изнашивания. nike air max tavas В настоящее время около 30 % ежегодной выплавки металла расходуется на восполнение потерь от коррозии и изнашивания. По данным фирмы «Эутектик + Кастолин», стоимость ежегодных простоев в промышленности равна около 15 % общих годовых затрат; 80 % общего времени простоев составляют потери рабочего времени вследствие поломок оборудования [638]. Борьба с изнашиванием и коррозией осложнена тем, что использование объемно-легированных материалов, являвшееся в последнее столетие основным способом решения этой задачи, становится все более проблематичным из-за истощения запасов легирующих элементов. Кроме того, по мере развития и совершенствования техники постоянно растут требования к орудиям труда и условиям их эксплуатации (повышение скоростей, температуры, нагрузок, агрессивности среды, уменьшение массы и др.). Применение традиционных конструкционных материалов уже не в состоянии в ряде случаев удовлетворить комплекс этих требований. В связи с этим экономически и технически целесообразно развивать принципиально новый подход к выбору материалов уже на стадии проектирования. Механическая прочность детали гарантируется за счет применения одного материала, а специальные свойства поверхности обеспечиваются сплошным или локальным формированием на ней тонких слоев других материалов — покрытий. В результате обеспечивается повышенная долговечность детали, сочетающаяся с экономией легирующих элементов, удешевлением изделий. Вышесказанное объясняет все возрастающий интерес к проблеме защитных покрытий, определяет значение разработки и практического применения технологии покрытий различного назначения в современных условиях, В настоящее время к числу наиболее активно развивающихся направлений в области защитных покрытий относятся методы газотермического напыления и вакуумного нанесения. К группе промышленно развитых методов газотермического напыления относят электродуговое, газопламенное, плазменное и детонационное напыления. Все они объединены единым принципом формирования покрытия из отдельных частиц, нагретых и ускоренных с помощью высокотемпературной газовой струи. Структура покрытий, полученных этими методами, слоистая, образована дискретными частицами с более или менее ярко выраженными границами раздела. Плазменное напыление -прогрессивный технологический процесс нанесения защитных покрытий различного назначения, включает практически все . характерные особенности процессов обработки дисперсных материалов . 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. Придя на смену менее производительному газопламенному напылению, этот метод завоевал прочные позиции в авиационной, ракетной и космической технике, машиностроении, энергетике, металлургии и других отраслях народного хозяйства. Одновременно с этим, благодаря более высокой температуре и энергии плазменной струи, существенно расширились области применения и перечень напыляемых материалов. Исторически плазмоструйное нанесение покрытий получило развитие с момента возникновения плазменной технологии ,причем физические, в том числе теплофизические и газодинамические, аспекты данного метода неоднократно рассматривались при разработке процессов плазменной металлургии и технологии неорганических материалов [1-2 3]. Наряду с решением научных и технических проблем, связанных с разработкой новых технологических роцессов, выполнены работы, направленные на создание высокоэффективных генераторов низкотемпературной плазмы [24-41]. Анализ известных зарубежных публикаций за последние 5-7 лет позволяет сделать заключение о том, что по мере появления- нового перспективного плазменного оборудования, в первую очередь для обработки порошковых материалов в высокотемпературных струях сложных химических составов (в том числе для нанесения покрытий), оснащенного компьютерными системами контроля, стабилизации и управления режимными параметрами технологического процесса, а также по мере возрастания требований к свойствам выходного продукта и расширения перечня обрабатываемых материалов в ряде научных центров США, Франции, Канады, Японии и других стран значительно расширились фундаментальные исследования в области плазмодинамики струйных дисперсных систем с целью изучения потенциальных возможностей обработки порошковых материалов в пазменнотехнологических системах, а также применения полученных результатов в конкретных технологиях. Главным критерием применимости материала в качестве покрытия являются возможность перевода его частиц в расплавленное или высокопластичное состояние и последующая деформация их при встрече с подложкой. Высокие температуры в сочетании с возможностью широкого регулирования состава струи (инертная, восстановительная, окислительная) и скорости ее истечения обеспечивают большое разнообразие материалов, напыляемых газотермическими методами,— от самых тугоплавких металлов, оксидов, карбидов и т. п. до пластмасс. Малое термическое воздействие на напыляемую основу (обычно 80— 150 °С) позволяет исключить нежелательные структурные превращения в ней, избежать деформации изделия, создает возможность нанесения покрытия на основу из самых разнообразных материалов (металлов, керамики, бетона, дерева, картона я др.). Производительность детонационного напыления— килограммы, газопламенного и плазменного — десятки, электродуговой металлизации — до сотни килограммов в час. Толщина газотермических покрытий — от десятков микрометров до нескольких миллиметров. Напыление может производиться как на ограниченные участки изделий, так и на большие поверхности практически без ограничения размеров. Эти преимущества обусловливают высокую универсальность газотермического напыления, которое позволяет наносить покрытия с широким спектром служебного назначения — износостойких, коррозионно-стойких, теплозащитных, электроизоляционных и других, а также для восстановления размеров изношенных деталей. Практический опыт применения газотермических покрытий, накопленный за последние 20—30 лет в различных отраслях промышленности, показывает, что таким путем можно, как правило, в 2—5 раз уменьшить износ деталей машин, эксплуатируемых в самых разных условиях, а также эффективно восстанавливать изношенные детали. В настоящее время высокого уровня достигли исследования в области газотермического нанесения покрытий, накоплен большой опыт практического применения этой технологии в самых различных областях техники (от металлургии и строительства до космической техники, электроники п медицины). Над этой проблемой работают многочисленные научно-исследовательские институты и лаборатории, широкий круг ученых и производственников. Теоретические основы нового направления в науке и технике изложены во многих монографиях, журнальных статьях и сборниках. Однако издание справочного характера, в котором были бы собраны и систематизированы современные сведения о методах напыления и применяемом для этих лелей оборудовании, а также о методах получения и свойствах порошков для газотермического напыления, технологии нанесения покрытий, составах и свойствах покрытий различного назначения, областях их рационального применения и практической эффективности впервые было опубликовано издательством «Наукова думка» (г. Киев) в 1987 году. Изданное в США в 1972 г. фирмой «Метко» «Справочное руководство по покрытиям», освещало только круг разработок этой фирмы. chaussure jordan officiel К настоящему времени назрела необходимость в проведении данных исследований на качественно новом уровне, предполагающем использование развитых автоматизированных систем научных исследований (АСНИ), включающих автоматизированную систему экспериментальных исследований (АСЭИ) в области плазмодинамики дисперсных струйных систем. Это обусловлено как внутренней логикой развития высокотемпературной газодинамики многофазных систем, так и прикладными задачами, связанными с дальнейшим расширением сферы применения и интенсификацией процессов плазменной обработки дисперсных материалов, что может быть обеспечено лишь путем постановки комплексных исследований, охватывающих все звенья цепи формирования стабильного конечного продукта с заранее заданными свойствами, которые гарантируются не только в лабораторных, но и в промышленных условиях. Для газотермического нанесения покрытий (ГТН), являющегося предметом исследования данной работы, указанная задача до настоящего времени не нашла полного решения. Это объясняется чрезвычайным многообразием и сложностью взаимосвязанных газодинамических, теплофизических и физико-химических процессов, определяющих в конечном итоге структуру и качество напыляемых покрытий. В современных технологиях газотермического напыления в большинстве случаев отсутствует возможность организации не только непосредственной обратной связи между первичными и вторичными параметрами, но и оперативного контроля за факторами, определяющими ее. Это и делает зачастую невозможным гарантированно получать в промышленном масштабе покрытия и материалы с заранее заданными свойствами. Преодолеть существующее положение возможно лишь при комплексном решении следующих задач:

1. создание высококачественного автоматизированного оборудования, обеспечивающего контроль, поддержание на заданном уровне и регистрацию основных технологических параметров процесса;

   разработка методов и аппаратуры для оперативной диагностики состояния дисперсной и газовой фаз в потоке, а также напыляемой поверхности в выбранном технологическом режиме; развитие физико-математических основ запыленных плазменных струй и взаимодействия расплавленных частиц с напыляемой поверхностью; 4) создание технических, методических, алгоритмических и программных средств для проведения вычислительного эксперимента в области ГТН, осуществляемого параллельно с натурным экспериментом; 5) осуществление контроля за качеством и свойствами материалов как в исходном, так и конечном состояниях, а такжерабочих газов и среды, в которой ведется напыление; 6) создание банка данных, математического и программного обеспечения для серийного и перспективного оборудования,позволяющих предварительно подбирать технологические параметры в режиме диалога.

Решение первых четырех задач дает возможность осуществить взаимную увязку отдельных звеньев цепочки плазмотрон -струя — покрытие, что, в свою очередь, помогло бы оптимизировать процессы напыления и управления наиболее важными ехнологическими характеристиками покрытия (прочность сцеп-£кия, плотность, пористость, развитость поверхности и др.). Хорошо известно [3, 23], что определение оптимального или рационального режима напыления — наиболее трудный вопрос, обусловленный сложностью комплекса взаимосвязанных газодинамических, теплофизических и физико-химических процессов, определяющих в конечном итоге структуру и качество покрытия. И в настоящее время можно считать, что первый этап исследования в основном завершен: получены новые и систематизированы известные данные, характеризующие коэффициенты теплоотдачи и сопротивления сферических частиц [22, 23, 42-49], использование которых при расчете движения, нагрева, плавления и испарения одиночных частиц, а также их ансамблей с известной функцией распределения по размерам позволило определить условия ввода дисперсного материала в плазменную струю и оптимизировать процесс напыления в ряде практических случаев [50, 51];•доказана применимость и работоспособность ряда контактных и бесконтактных методов диагностики наиболее важных осредненных параметров, характеризующих картину течения в однофазных и гетерогенных высокотемпературных струях [4, 52, 53]:, рассмотрены элементарные процессы при взаимодействии расплавленной частицы с подложкой и созданы физико-химические основы формирования покрытий в процессе напыления [2, 3]. Однако несмотря на достигнутые успехи, в настоящее время отсутствуют достаточно полные экспериментальные данные и надежные физико-математические модели, позволяющие прогнозировать распределение в поле течения многокомпонентных и гетерогенных плазменных струй таких важных в технологическом отношении параметров: скорость и температура фаз, концентрационный состав газовых компонентов, концентрация дисперсных частиц и функция распределения их по размерам. Известные опытные данные весьма неполны, требуют взаимной проверки и не дополняют друг друга, поскольку получены для различных типов плазменных устройств и способов генерации высокотемпературных струй и не всегда с гарантированной точностью измерений, что затрудняет их использование при критериальном обобщении с целью получения зависимостей, характеризующих распределение вышеуказанных параметров в плазменных струях- для заданных значений режимных параметров (расход плазмообразующего и транспортирующего газов; расход порошка и его гранулометрический состав; мощность, вкладываемая в струю и т.д.). Air Max Здесь уместно отметить, что, несмотря на достигнутый прогресс в методах измерений, достаточно полное экспериментальное исследование высокотемпературных однофазных,и особенно запыленных, струй вследствие многопараметричности явления, значительных методических трудностей и сложностей постановки модельного физического эксперимента сейчас весьма проблематично, а в ряде случаев пока и невозможно. Отнюдь не проста и интерпретация получаемых при этом опытных данных. Так, например, использование лазерно-доплеровского измерителя скорости (ЛДИС) для измерения скоростей фаз в запыленной плазменной струе затруднено вследствие того, что излучение плазмы и частиц вызывает фоновый шум; имеют место высокие скорости частиц и несущего потока, а также градиенты температур и флуктуации показателя преломления среды; в излучении струи зачастую имеются дискретные линии достаточной интенсивности; весьма проблематично при измерении скорости несущего потока создание требуемых микронеоднородностей из-за их быстрого испарения в поле высоких температур. Кроме того, многопараметричность, всегда присущая двухфазным потокам, здесь проявляется наиболее выпукло, так как в достаточно малом локальном объеме струи конденсированная фаза может иметь распределение частиц по размерам, скоростям и температурам, что в сочетании с существенной динамичес кой и тепловой неравновесностью фаз ставит под сомнение целесообразность исследования таких потоков лишь экспериментальными методами, поскольку измерение параметров только одного дисперсного компонента практически потребует применения всего арсенала методов диагностики. Однако и это не даст решения задачи вследствие того, что обобщение полученного колоссального объема опытных данных является не менее серьезной проблемой. Указанные обстоятельства стимулировали многочисленные теоретические исследования поведения дисперсных материалов з высокотемпературных потоках газа. [22, 54-68], причем значительное количество этих работ посвящено изучению процессов движения, нагрева, плавления и испарения одиночной, как травило сферической, частицы. Большинство из них имеет узкую прикладную направленность и не вскрывает каких-либо новых особенностей поведения частицы в плазме. Необходима систематизация работ в данном направлении с целью создания эффективного диалогового комплекса программ и его распространения в различных организациях для дальнейшего использования. Значительно меньшее количество публикаций посвящено математическому моделированию гетерогенных плазменных струй. Существующие модели [69 — 71] в подавляющем большинстве случаев не учитывают ряда характерных особенностей, присущих реальным течениям в запыленных высокоэнтальпийных потоках (турбулентность; полидисперсность, многокомпонентность; поперечное рассеяние примеси и влияние конденсированной фазы на структуру турбулентности, а также возможного испарения материала частиц на динамическую и тепловую неравновесности фаз; влияние подложки на газодинамику двухфазной струи и т.п.), вследствие чего требуют обстоятельной опытной апробации. Однако последнее, так же как и использование известных математических моделей с целью их тестирования и- сравнения, крайне затруднено, поскольку соответствующие вычислительные программы не оформлены документально, не имеют единой основы, являются узкоспециализированными по своему назначению, ориентированы на разные ЭВМ и реализуют различные по точности численные алгоритмы. Как известно [72], прямое физическое исследование, включая циклы экспериментов с разномасштабными установками, — единственный путь получения принципиально новых фактов и закономерностей, не предсказываемых существующей теорией или описываемых ею недостаточно полно и отчетливо. Наиболее плодотворна параллельная разработка математических и экспериментальных физических моделей, что позволяет в физическом эксперименте выделить ограниченный круг наиболее существенных объектов исследования, которые в дальнейшем будут заложены в модель математическую. Таким образом, ближайшие усилия при исследовании запыленных высокотемпературных струй должны быть сосредоточены на рациональном сочетании возможностей вычислительного и физического экспериментов, что, в свою очередь, позволит более обоснованно подойти к построению физико-математических моделей,, их замыканию, опытной апробации и установлению области применимости при описании наиболее важных в практическом отношении модельных течений. Данный методический подход [73-75] , позволяющий комплексно подойти к исследованию процессов переноса импульса, теплоты и массы в высокотемпературных струях сложного химического состава, как однофазных, так и несущих частицы инерционной примеси, заключается в создании проблемно-ориентированной математической технологии (см. схему), обеспечивающей проведение оперативного вычислительного эксперимента; многоцелевого автоматизированного экспериментального стенда. Реализация указанного подхода имеет также значительный прикладной интерес, поскольку дополненный подсистемами, обеспечивающими решение перечисленных выше задач 5) и 6), он позволит практически осуществлять комплексный эксперимент (КЭ) в газотермическом нанесении покрытий, при котором как непосредственными измерениями, так и расчетным путем взаимосвязанно будут изучаться: круг явлений в распыляемом материале, рабочих газах, среде; процесс распыления; процесс формирования напыленного материала; конечный напыленный материал. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие научные и технические задачи: — создать многоцелевой автоматизированный экспериментальный стенд для комплексной диагностики гетерогенных высокотемпературных, в том числе плазменных, струй многокомпонентного газа разработать и адаптировать на стенде ряд взаимодополняющих методов диагностики, работающих на линии с ЭВМ и позволяющих проводить в автоматизированном режиме сбор, накопление, обработку и отображение информации, управление физическим экспериментом; — развить и практически реализовать проблемно-ориентированную математическую технологию, позволяющую оперативно осуществлять параллельный вычислительный эксперимент при исследовании процессов переноса импульса, теплоты и массы в высокотемпературных струях сложного химического состава, как однофазных, так и несущих частицы инерционной примеси; — разработать эффективные численные методы, позволяющие осуществлять моделирование широкого класса задач плазмоструйной обработки дисперсных материалов; — разработать и практически апробировать физико-математические модели, ряда неизотермических двухфазных струйных течений, представляющих интерес для прикладной термогазодинамики многофазных систем; создать инженерные методы расчета для прогнозирования движения и нагрева частиц порошковых материалов в плазменных потоках, а также взаимодействия расплавленных частиц с напыляемой поверхностью. Результаты выполненных исследований и разработок уже сейчас открывают широкие возможности в проведении комплексных фундаментальных и прикладных исследований в области плазмодинамики струйных дисперсных систем с целью изучения потенциальных возможностей различных способов обработки дисперсных материалов в плазменно-технологических системах, а также применения полученных результатов для совершенствования конкретных технологий и оборудования для плазмоструйного нанесения покрытий. Кроме того, диагностическая аппаратура, работающая на линии с ЭВМ на созданном стенде при ее дальнейшем совершенствовании может стать эффективным средством контроля плазменных технологических процессов. Опыт создания и эксплуатации автоматизированной систем научных исследований в плазмодинамике струйных дисперсных систем позволил развить концепцию комплексного эксперимента в технологии газотермического нанесения покрытий, открывающую широкие возможности в повышении эффективности обучения, исследований и разработок.

1. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

(См.Борисов Ю. С. и др. Газо-термические покрытия из порошковых материалов. Справочник –Киев: Наукова думка 1987, 544 с. 2. Жуков М. Ф., Солоненко О. П. Высокотемпературные запыленные струи в процессах обработки порошковых материалов. Монография. Под ред. академика В.Е. Накорякова. Новосибирск: АН СССР Сибирское отделение. Институт теплофизики. 316 с.)

Глава I АНАЛИЗ ИССЛЕДУЕМЫХ ПРОЦЕССОВ и СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕПЛ0ГА30ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ПЛАЗМ0СТРУЙН0Г0 НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

1. Особенности исследуемых процессов

Анализ состояния и перспектив использования низкотемпературной плазмы в ряде промышленных технологий показывает, что основными классами гетерогенных струйных течений, представляющих наибольший интерес для совершенствования фроцессов обработки дисперсных материалов являются свободные и коаксиальные струи. Известно, что каждый исследуемый объект накладывает специфические требования к диагностическому оборудованию и к математическим моделям для его описания. При плазменном напылении струя является основной технологической зоной обработки порошковых материалов, поэтому, располагая такими важными параметрами, характеризующими ее структуру, как скорость, температура, концентрационный состав газовых компонентов, турбулентность, можно эффективно проводить оптимизацию процесса нагрева исходного порошкового материала с целью обеспечения, например, высокого качества наносимого покрытия. Следовательно, самостоятельный интерес как объект диагностики по-прежнему представляют высокотемпературные однофазные струи, используемые при переработке дисперсных материалов. Последнее также необходимо для получения достоверных данных, характеризующих, при прочих равных условиях, шияние конденсированной фазы на локальные и интегральные параметры плазменного потока, оценки погрешностей принимае мых физических допущений, апробации математических моделей Характерными особенностями этих струй являются: 1) многокомпонентность, так как реальные плазмотроны, как правило, работают на смесях различных плазмообразующих газов (Ar+N₂, Ar+H₂ , Ar+He , Ar+N₂+H₂ и других), многокомпонентность также необходимо принимать во внимание при истечении струи однокомпонентного газа в среду, отличную по составу; 2) наличие значительных градиентов скорости и температуры в поперечных сечениях струи, что обуславливает различные скоростную и температурную предыстории частиц порошковых материалов (последним объясняется необходимость жесткого контроля условий ввода частиц в плазменную струю); 3) высокая степень турбулентности, из-за крупно- и мелкомасштабного шунтирования дуги. Наличие средств диагностики, обеспечивающих в автоматизированном режиме проведение одновременных измерений скорости, температуры и состава в высокотемпературной струе многокомпонентного газа, позволило бы вплотную подойти к решению важной прикладной задачи — паспортизации струй плазмотронов различного технологического применения. При исследовании двухфазных неизотермических потоков типа газ — частицы значительную сложность представляет корректный учет теплового и динамического взаимодействий фаз в осредненном и пульсационном движениях, столкновения и коагуляции частиц, их дробления, вращения, поскольку закономерности движения и возможности математического описания таких систем находятся в тесной связи с концентрацией дисперсного материала в газовом потоке [77]. nike blazer Поэтому представляет интерес оценка сверху для объемной концентрации частиц ѕ_р^ma[ при наиболее характерных условиях обработки порошковых материалов (плазмоструйное напыление, сфероидизация) [78]. Для этого достаточно оценить максимально возможную степень загрузки потока k_max= (Gp/Gfⁿ⁾ )_max, где Gp, Gfⁿ) — массовые расходы порошкового материала и плазмообразующего газа. Здесь и далее индексы р и f отвечают параметрам частиц и газа. Как известно [3], наиболее распространенным способом ввода порошкового материала в плазменную струю является его подача под срез сопла плазмотрона с помощью трубки-шихтопровода некоторого радиуса r _S , Зафиксируем массовый расход G_fⁿ плазмообразующего газа, истекающего из сопла. Для простоты будем пренебрегать влиянием расхоада транспортирующего газа, что еще более усилит оценку k_maх. Ограничимся смотрением случаев., когда необходимо: 1) нагреть и полностью расплавить материал; 2) нагреть, расплавить и перегреть порошковый материал до температуры Т_Р=(Тр,пл + Тр,кип) : 2, где Тр,пл, Тр,кип — температуры плавления и кипения материала; 3)полностью испарить порошок. Используя простейшие уравнения теплового баланса и предполагая ввод дисперсного материала через кольцевую радиальную щель ширины Δz непосредственно примыкающую к срезу сопла таким образом, что он мгновенно равномерно распределяется по сечению сопла (аргумент в пользу такой схематизации процесса — постоянная времени нагрева частиц, которая на один-два порядка меньше постоянной времени их динамической релаксации), будем иметь следующие оценки: С.21. </I, где Tf_0s Тр₀ — начальные температуры плазмообразующего газа и частиц порошка; L_p,п, L_p?кип — теплота плавления и кипения материала; h(T) — удельная энтальпия при температуре Т. При получении соответствующих оценок для s_р^max_, конкретизируем условия ввода частиц в струю. Значение параметра Δz выберем, исходя,изтребования равенства площадей кольцевой щели и выходного сечения трубки-шихтопровода, т.е. Δz = r²_s/(2r_с), где r_с — радиус сопла плазмотрона. Считаем, что двухфазное течение на выходе из кольцевой щели динамически разновесно. Это позволяет оценить начальную скорость частиц ω_rр0 и транспортирующего газа : — плотность и расход транспортирующего газа. nike mercurial Обозначив через среднюю объемную концентрацию порошка на выходе из щели, имеем значение расхода порошка Gp =s_p. . С другой стороны, согласно вышеизложенному, Gp ≤ . Если отнести мгновенный расход частиц к выходному сечению плазмотрона, то получаем искомую оценку ≤ k_max^T/ρ_p) (r_S/r_c)². basket nike air max 1 (1.5) Обычно в процессах обработки порошковых материалов, вводимых в реакционную зону с помощью птранспортирующего газа (при ином способе ввода необходимо откорректировать (1.5) с учетом реальной оценки для ω _rp0 ), Окончательно будем иметь (1.6) В качестве примера в табл. 1.1 приведены значения к_max , s_p^max для ряда материалов при их обработке в воздушной, азотной и аргоновой плазме, характеризующие указанные выше случаи 1)-3). Используемые при этом теплофизические свойства материалов и соответствующие литературные ссылки приведены в табл. 1.2, а свойства газов принимались согласно [79 –Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствамжидкостей и газов. М.: Наука, 1972. 720 с.]. Приведенные материалы позволяют сделать вывод о том, что широко используемый на практике способ ввода порошка в плазменную струю существенно локализует зону обработки материала, это приводит к заниженному использованию энергии струи и невысокому термическому КПД процесса, а также к необходимости искусственного снижения коэффициента загрузки потока дисперсной фазой. Как видно из табл. Air Max R4 1.1(см. ЖуковМ.Ф, СолоненкоО.П с.23,24). , согласно классификации [77 – ГорбисЗ.Р. Теплообмен и гидродиамика дисперсных сквозных потоков.-М.:Эннергия,1970424 с/ в запыленных плазменных струях, применяемых в процессах обработки порошковых материалов, могут реализовываться условия как слабозапыленного потока, так и потока газовзвеси. Однако, поскольку полученные оценки для k_max и s_p^max, не учитывающие тепловую инерционность частиц заданного гранулометрического состава при их ускорении в реальном поле скоростей и температур струи, завышены и в ряде технологических процессов возникает потребность не только в расплавлении порошка, но и в его перегреве выше температуры Тp, пл , а в некоторых случаях — и испарения, по-видимому, интерес представляет изучение процессов межфазного переноса импульса, теплоты и массы в слабозапыленных высокотемпературных струях. Данное исследование, так же как и оптимизация режимов обработки порошковых материалов, в первом приближении сводится к рассмотрению поведения одиночной частицы обрабатываемого материала в известном (например, из эксперимента) поле скоростей и температур, характеризующем струю конкретного плазмотрона. Плазмодинамика дисперсных струйных систем отличается от высокосокотемпературной газодинамики однофазных многокомпонентных сред наличием в несущем потоке мелкодисперсной примеси, состоящей из твердых или жидких частиц различных размеров, форм и с различными теплофизическими свойствами, которые, ■ели принять во внимание многообразие технологических процессов обработки порошковых материалов, могут обмениваться : газовым потоком импульсом, теплотой и массой, а также претерпевать различные фазовые и химические превращения. В большинстве случаев, представляющих практический интерес_s фракционный состав порошковых материалов лежит в интервале 5-100 мкм. Как показано выше, массовый расход частиц может быть соизмерим с расходом плазмообразующего газа, а в некоторых случаях существенно превосходить его. Поскольку же характерной особенностью механизма движения и теплообмена в полнфазных высокотемпературных потоках является ускорение (торможение) инерционных частиц за счет вязких сил, сопровождающихся нагревом (охлаждением), плавлением (кристаллизацией), а иногда — испарением (конденсацией), образованием новых частиц, их ростом, дроблением, коагуляцией и т.п., то становится очевидным, что для правильного качественного понимания процессов, происходящих в высокотемпературных запыленных струях, корректной постановки физического эксперимента, выбора требуемых средств диагностики и интерпретации получаемых опытных данных необходимо для фиксированного Dp размера частиц иметь возможность проведения оперативных оценок характерных времен ускорения (τ ₁ ), нагрева от начальной температуры до температуры плавления материала (τ₂), полного проплавления частицы(τ ₃), нагрева от Т_р,пл до Т_р,кип (τ ₄)и, наконец, полного испарения (τ ₅). При получении оценок для τ _ı, (i= 1÷5) в первом приближении-можно ограничиться рассмотрением одиночной сферическойи частицы, внезапно помещенной в однородный по продольной скорости температуре газовый поток. Тогда, пренебрегая влиянием частицы на поток, получим следующие оценки: (1.7) (1.8 (1.10) где φ_р — поправка к стоксовому режиму обтекания частицы, которая, например, с учетом инерционных эффектов имеет вид [87] φ_р=1+0,15; Re _{р =}— число Рейнольдса, построенное по начальной относительной скорости частицы; Nu p=2+0,6Re ‘ Pr ‘ — число Нуссельта, учитывающее вклад конвективного теплообмена в коэффициент теплоотдачи частицы [88] ; Pr — число Прандтля; Bi= — число Био, характеризующее степень неоднородности температуры внутри частицы при ее нагреве; верхние индексы 1,2 отвечают соответственно параметрам частицы при температуре Т_ро и Т_р>пл . В качестве примера в табл. 1.3 (c.27, 28) сведены значения перечисленных времен для ряда материалов и плазмообразующих сред при D =10, 50, 100 мкм. Сравнивая данные, приведенные в табл. 1.3, с характерным временем пребывания порошка в зоне активной термообработки c, (d_c — диаметр сопла плазмотрона, — среднее значение скорости частиц в указанной зоне), можно сделать вывод, что для рассматриваемого нами случая осредненное течение, вообще говоря, неравновесно как по скоростям, так и по температурам фаз. . Оценки (1.8), (1.10), в отличие от результатов, получена для безградиентного режима нагрева частиц, позволяют прогнозировать времена для любых материалов, включая ту-| гоплавкие соединения (А1₂0₃, ZrO₂, SiO₂ и т.п.). Как пока зывает решение внутренней задачи нестационарной теплопроводности, перепад Δ T_p(Fo) температуры в частицах ряда порошков в условиях, характерных для процессов обработки дисперсных материалов в плазменных потоках, может достигать заметной величины. Данный перепад при Fo>1/12 может быть выражен через текущую среднемассрвую темпера.туру Т_р(Fo) частицы согласно [78: Нанесение покрытий плазмой. / В.В. Кудинов и др. –М.:Наука, 1990. 408 с. ] (с.29)

Все изложенное в сочетании с материалами табл. 1.4, в :которой приведены значения критерия Bi для указанных выше конкретных условий, убедительно подтверждает необходимость ведения совместных экспериментальных и расчётных исследований межфазного тепло- и массопереноса в высокотемпературных запыленных потоках, поскольку существующие методы измерений позволяют, в лучшем случае, зарегистрировать лишь температуру поверхности отдельной частицы. Внутреннее же состояние частицы, включая возможные фазные и химические превращения в ее объеме, можно предсказать лишь с помощью вычислительного эксперимента, опирающегося на опытные данные, с достаточной степенью точности описывающие поля скоростей, температур и химического состава исследуемой струи. При этом расчет межфазного тепло- и массопереноса требует знания также температуры поверхности частицы, которая может быть корректно определена лишь в ре-тате решения внутренней задачи нестационарной теплопроводности, т.е. с учетом реального градиента температуры. Расчет же по ее среднемассовому значению приводит для тугоплавких соединений к существенному завышению плотности теплового потока, а следовательно, может являться одной из причин заметного расхождения расчетных и измеренных температур частиц* Подобное систематическое отклонение отмечалось в ряде работ, например, в [89]. Поэтому необходима разраь готка алгоритмического и программного обеспечений, позволяющих эффективно проводить исследование внутренней задачи нестационарного тепло- и массообмена с учетом возможного многообразия случаев, реализуемых при обработке порошковых материалов в плазменных потоках (одновременность плавления и гспарения частицы; сложная рекристаллизация частицы; когда два фронта движутся навстречу друг другу; обработка плакированных, в том числе термореагирующих порошков и т.п.). adidas superstar homme moins cher Ввиду того, что большинство процессов термообработки порошковых материалов в низкотемпературной плазме проходит :-=дию плавления, представляется уместным привести оценку характерного времени сфероидизации жидкой частицы T_e~\ipDp/op (см. с.30) -е )ip_} и — динамическая вязкость и коэффициент поверхност-5ого натяжения расплава. Данный параметр для металлов на ■есколько порядков меньше всех указанных выше времен. Это в сочетании с оценкой числа Вебера We=p/_o^w^f_o^n/^CTp ^ 1 ;:зволяет считать, что любая расплавленная металлическая частица при движении в плазменной струе имеет форму сферы. Кроме того, для интересующих нас случаев свободной конвекцией внутри расплавленной частицы можно заведомо пренебречь. Эффективность обработки порошковых материалов во многом определяется характером течения в струе конкретного плазмотрона, способом и стабильностью ввода частиц в плазменный поток, гранулометрическим составом дисперсной фазы, мощностью, вкладываемой в струю и т.д. В конечном же итоге арная эффективность процесса находится в прямой зависимости от характера движения и нагрева отдельных частиц, вводимых в поток плазмы. Из газодинамики многофазных систем хорошо известно [90-92] , что в общем случае на движение частицы оказывают влияние многие факторы: инерционность движения несущего потока, степень разреженности и сжимаемости потока, его турбулентность и возможный градиент давления, градиенты скорости и температуры среды, ускорение частицы, степень шероховатости поверхности частицы и ее несферичность, испарение и деформация жидкой частицы, сте-пень двухфазности запыленного потока. Большинство из перечисленных факторов может оказывать влияние на тепломассообмен частицы в высокотемпературном потоке.