Определение условий напыления дисперсной фазы в порошковой металлургии по параметрам двухфазной газовой струи

Решение многих задач научно-технического прогресса предполагает совершенствование известных и создание новых материалов. Это же в полной мере относится и к покрытиям, назначение которых в современной технике весьма разнообразно:

— защита конструкций от разрушающего воздействия горячих газовых потоков, паров металла, различных сплавов, кислотных и щелочных растворов и других агрессивных сред, которые оказываются особенно ощутимыми и нередко катастрофическими для материалов при высоких температурах;

— защита конструкций от механического износа при различных видах трения и снижение коэффициентов трения в рабочих движущихся узлах конструкций;

— защита материалов от перегрева и разупрочнения под действием высоких температур, защита металлов в процессе горячей обработки;

— придание поверхностям металлов особых электрических и магнитных свойств или особых оптических свойств;

— повышение устойчивости материалов к воздействию ионизирующих излучений и т. д.

Развитие современной техники обусловило необходимость создания покрытий на самые различные материалы. В быстрейшем развитии соответствующих работ, повышении их эффективности заинтересованы многие отрасли народного хозяйства: газомототурбостроение, черная и цветная металлургия, авиационная и ракетная техника, общая и атомная теплоэнергетика, электронная техника, радиоэлектроника, электротехника, судостроение, космическое материаловедение и т. д.

Среди существующих энерго-, материалои ресурсосберегающих технологических процессов для создания защитных, износостойких, жаростойких и других функциональных покрытий все более заметное значение имеют высокотемпературные технологии (нанесение защитных покрытий, сфероидизация порошков, прямое восстановление материалов и т. п.). В последние годы усилился интерес к исследованию процессов переноса импульса, тепла и массы в высокотемпературных струях сложного химического состава, как однофазных, так и несущих частицы инерционной примеси. Исследование неизотермических струйных течений с конденсированной фазой представляет значительный интерес также для многих традиционных отраслей науки и техники (металлургия, машиностроение, реактивная и ракетная техника, химическая технология и т. д.).

Особое место при этом занимает газопламенное напылениепрогрессивный технологический процесс нанесения защитных покрытий различного назначения, включающий практически все характерные особенности процессов обработки дисперсных материалов.

При газопламенном напылении материал покрытия в виде порошка вводится в горящую струю, где он мгновенно нагревается и плавится, распыляется и транспортируется к подложке, при взаимодействии с которой образуется покрытие. 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 струи, существенно расширились области применения и перечень напыляемых материалов.

Хорошо известно, что в конечном итоге структура и качество покрытия определяется оптимальным или рациональным режимом напыления — наиболее трудным вопросом, обусловленным сложностью комплекса взаимосвязанных газодинамических, теплофизических и физико-химических процессов, — то есть очевидным является влияние режима газовой струи на качество изделия, где под качеством следует понимать однородность структуры, равномерность (постоянство толщины) и прочность нанесения легирующего слоя на поверхность подложки или равномерность структуры нового материала (в СВС-процессах).

В настоящее время можно считать, что первый этап исследования, заключающийся в изучении отдельных аспектов этого сложного процесса, в основном завершен. Однако, несмотря на достигнутые успехи, отсутствуют достаточно полные экспериментальные данные и надежные физико-математические модели, позволяющие прогнозировать распределение в многокомпонентных и гетерогенных струях таких важных в технологическом отношении параметров, как скорость и температура фаз, концентрационный состав газовых компонентов, концентрация дисперсных частиц и функция распределения их по размерам.

В металлургических агрегатах струи газов образуют двухфазные и многофазные течения, осложненные процессами горения и другими химическими реакциями, являющимися источниками турбулентности. При этом диапазон параметров используемых газовых струй очень широк: числа.

5 8.

Рейнольдса достигают 10−10 и больших значений, скорость струй может быть от 10 до 10 м/с, начальные диаметры их от нескольких миллиметров до метра. Дисперсные среды представляют зернистые и псевдоожиженные системы. Для практически важных классов течений турбулентный вид течения является основным.

Использованию методов математического моделирования для изучения процессов порошковой технологии в металлургии посвящены многие работы (например, достаточно обширная библиография представлена в [2, 8, 14−17, 21, 36, 46, 60. 61, 68, 69, 72, 75, 81, 86−88, 90, 95, 97, 104−108,128,129]). В них предложены основные принципы моделирования процессов газопламенной металлургии, включая основы переработки дисперсной фазы в высокотемпературных потоках.

Уже в первых работах по теории плазмохимических процессов[21, 26, 100, 101, 111, 112] показана важность влияния на них гидродинамики потока, а также поведения частиц в высокоскоростных потоках для получения значительных скоростей порошка (>400 м/с), способствующих повышению качества покрытий. Методами асимптотической теории получен ряд результатов, позволяющих вводить количественные критерии влияния гидродинамики на характеристики многофазных реагирующих потоковдиагностика высокотемпературных потоков значительно расширила возможности экспериментального обоснования математических моделей, используемых для описания таких течений.

Развитие численных методов в механике сплошных сред [10, 24, 29, 36 и др.] и появление мощных ЭВМ позволило проводить численную реализацию многомерных моделей сложных течений.

Однако, колоссальное разнообразие факторов, влияющих на плазмохимический процесс, таких, как турбулизация, резкая температурная неоднородность, изменение состава и переносных свойств из-за химических реакций, создает проблемы уже при моделировании гомогенных течений бестоковой плазмы. Присутствие в течении конденсированной дисперсной фазы (КДФ), наличие электрического разряда и крутки еще больше усложняют задачу, поскольку в плазменном потоке появляются дополнительные гидродинамические и тепломассообменные процессы. Очевидно, что невозможно создать поддающуюся реализации аналитическую математическую модель, которая учитывала бы все факторы, не говоря уже о том, что многие проблемы, в частности турбулентность, еще далеки от своего решения даже в относительно простых случаях течения инертного изотермического газа [61].

Еще более неисследованными являются вопросы устойчивости газовых струй. Если для ламинарных течений и возникновения турбулентности, особенно в пограничных слоях, есть достаточно полные и глубокие результаты теоретико-экспериментальных работ [106], то для турбулентных струй и, в частности, их самоорганизации и сохранения устойчивых форм и режима турбулентности, таких исследований нет [35]. Вопрос здесь не в постоянстве параметров струи в каждой точке (хотя и это является одним из критериев глобальной устойчивости течения), а в установившемся режиме «хаотичности», т. е. в установлении достаточно малого интервала изменения параметров струи в каждом поперечном сечении при сохранении его формы и площади. Такая устойчивость струи названа глобальной [35]. Именно такая задача и ставится в данном исследовании, и именно в такой постановке ее решение имеет большое значение для качественного плазменного нанесения легирующих металлов на подложку. А так как наличие в потоке твердых частиц и влияние высокой температуры являются достаточными (к тому же при больших скоростях течения и в ограниченном пространстве) причинами турбулизации струй, то именно турбулентные двухфазные высокотемпературные газовые струи являются объектом настоящего исследования.

Конечно же, очень большое количество научных статей, монографий, учебников по исследованию высокотемпературных газовых струй и многофазных сред невозможно в ограниченном объеме даже кратко характеризовать в настоящем исследовании, поэтому в списке литературы названы только необходимые, но достаточно полно представляющие эти исследования работы отечественных и зарубежных авторов.

Из сказанного следует, что для обеспечения качества нанесения покрытия в порошковой металлургии высокотемпературная газовая струя с легирующим металлом в качестве дисперсной фазы на поверхности подложки должна быть: 1) однородной- 2) оптимальной температуры для обеспечения возникновения СВС-процесса либо прочности нанесения легирующего слоя- 3) глобально устойчивой.

Таким образом, диссертация относится к решению проблемы обеспечения высокого качества изделия в порошковой металлургии и ее цельопределение необходимого значения температуры и равномерности распределения дисперсной фазы и условий устойчивости двухфазной струи (газа и расплавленного легирующего металла) в поперечном сечении струи перед подложкой. Для достижения этой цели должны быть решены следующие задачи:

1) проанализировать методы исследования высокотемпературных двухфазных газовых струй (объект исследования) и их устойчивости;

2) определить тип математической модели и метод исследования устойчивости, приводящие к достижению поставленной цели;

3 Проанализировать методы экспериментального исследования газовых струй и, после выбора метода, разработать методику проведения эксперимента и технологию построения математической модели;

4)по результатам математического моделирования исследовать устойчивость и найти критические значения управляемых параметров, характеризующих глобальную устойчивость двухфазной высокотемпературной турбулентной газовой струи (предмет исследования).

Научная новизна диссертации заключается в следующих результатах.

1) Предложена гипотеза обеспечения качества напыления поверхностного слоя на подложку в порошковой металлургии управляемыми параметрами двухфазной высокотемпературной газовой струи, создавая в её поперечном сечении на поверхности подложки глобально устойчивый режим течения с необходимыми для качественного нанесения поверхностного слоя значениями таких параметров дисперсной фазы, как температура, плотность, закон распределения и скорость в поперечном сечении струи перед подложкой.

2) Из анализа известных исследований и состояния экспериментальной техники сделан вывод, что для исследования глобальной устойчивости высокотемпературной турбулентной двухфазной газовой струи наиболее целесообразно в порошковой металлургии построение регрессионной модели по указанному базису определяющих параметров.

3) Доказана автономность высокотемпературной газовой струи в ограниченном пространстве и впервые получены условия возникновения автоколебаний.

4) Разработана технология экспериментально-аналитического построения регрессионной модели высокотемпературной турбулентной двухфазной газовой струи.

5) Впервые определены критические значения параметров, при которых высокотемпературная двухфазная струя газа на поверхности подложки неустойчива.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав с выводами по каждой главе, заключения с основными научными результатами и списка литературы из 133 наименований.

4.5. Выводы.

1. По построенной экспериментально дифференциально-регрессионной модели зависимости вектора состояния у от управляемых параметров двухфазной струи X и условию возникновения неустойчивости (Л=0) в конечном сечении струи (перед подложкой) определяем зависимости между критическими значениями управляемых (начальных) параметров двухфазной газовой струи, являющихся наибольшими контрольными для обеспечения качества напыления.

2. По заданной минимальной температуре дисперсной фазы, как условию возникновения СВС-процесса, и заданному минимальному значению числа Рейнольдса, как условию равномерности напыления, определяем зависимости между критическими значениями управляемых параметров, являющихся наименьшими контрольными для обеспечения качества напыления.

3. Обеспечение высокого качества напыления дисперсной фазы заключается в поддержании значений управляемых параметров в определенных интервалах.

Заключение

Основные научные результаты.

1. Понимая под качеством изделий в порошковой металлургии при напылении на подложку двухфазной высокотемпературной газовой струей равномерность (постоянство толщины) и прочность нанесения напыляемого поверхностного слоя, а также однородность нового материала в результате СВС-процесса, предложен способ контроля качественного напыления значениями параметров двухфазной высокотемпературной устойчивотурбулентной газовой струи. Такими параметрами являются число Рейнольдса, обусловливающее закон распределения дисперсной фазы в поперечном сечении струи непосредственно перед подложкой, и средняя температура частиц дисперсной фазы в этом сечении, являющаяся минимальной для возникновения СВС-процесса. Корреляционные зависимости от начальных и технологических параметров процесса напыления могут быть определены экспериментально (при недостаточных возможностях экспериментальных исследований предлагается использовать достоверные результаты на уровне физических законов или эмпирических формул).

2. Для постоянства определенных значений параметров двухфазной струи в поперечном сечении перед подложкой (или на поверхности) газовая струя должна быть глобальноустойчивой. Для исследования устойчивости необходимо построение математической модели. Как следует из анализа известных результатов, построение математической модели на основе дифференциальных уравнений термогазодинамического процесса весьма затруднительно и обязательно содержит некоторые постоянные, определяемые только экспериментально. Поэтому наиболее предпочтительной адекватной моделью является регрессионная модель, определяющая зависимости выходных параметров струи (число Рейнольдса и температура дисперсной фазы) от начальных и технологических параметров процесса напыления.

3. Из доказательства автономности горящей газовой струи в ограниченном пространстве следует условие возникновения автоколебаний (потеря глобальной устойчивости) а также то, что математическая модель двухфазной высокотемпературной газовой струи не содержит явно время.

4. Если характеристики дисперсной фазы, газа или экспериментальнопроизводственной установки определены, то в качестве управляемых параметров процесса напыления следует считать начальное значение критерия Эйлера (объединяющего давление, плотность и скорость газа), расстояние от места введения порошка до подложки и начальную концентрацию дисперсной фазы.

5. Используя теорию параметрической устойчивости динамической системы, получены условия, определяющие критические значения управляемых параметров, при которых струя становится глобальнонеустойчивой, то есть для контроля качества напыления в порошковой металлургии необходимо поддерживать определенные начальные значения управляемых параметров двухфазной высокотемпературной турбулентной газовой струи, температуры дисперсной фазы и числа Рейнольдса на поверхности подложки.