Динамика потоков и ускорение микрочастиц в импульсном электротермическом ускорителе

Уникальные возможности устройств мощной импульсной электрофизики, в частности, достижение рекордных значений импульсной мощности, позволяют им находить чрезвычайно широкое применение в современных технологиях.

Одним из таких применений является использование импульсных электротермических ускорителей для ускорения микрочастиц порошковых материалов с целью нанесения покрытий на поверхность различных изделий. По своим потенциальным возможностям данный способ нанесения покрытий обладает рядом преимуществ перед традиционно используемыми аналогами, такими как детонационные установки [1,2], плазмотроны [3−6] и газопламенные установки [7,8]. Прежде всего следует отметить, что электротермические ускорители могут создавать газовые и плазменные потоки, чьи скорости существенно превосходят скорости потоков, получаемые другими методами. Это дает возможность провести ускорение микрочастиц порошковых материалов до существенно более высоких скоростей, что способствует более прочным связям между покрытием и основой [7−13].

Кроме этого, подобные установки позволяют осуществлять ускорение микрочастиц в контролируемой по составу и давлению среде, в частности при атмосферных условиях, что является немаловажным для промышленного применения. Ввиду отсутствия продуктов сгорания горючих смесей данные установки позволяют получать покрытия с высокой степенью химической чистоты.

Параметры формируемых потоков в стволе электротермического ускорителя обеспечивают необходимые условия для нагрева микрочастиц порошков практически всех материалов до температур плавления и выше, при этом имеется возможность управления параметрами формируемых потоков в широком диапазоне путем регулировки режимов работы ускорителя.

Рассматриваемый способ нанесения покрытий не требует специальной термической и механической обработки подложки. Отсутствие горючих смесей для работы электротермического ускорителя позволяет обойтись без специальных взрывобезопасных помещений. Установку отличают малые габариты, простота конструкции и обслуживания, экологическая чистота.

Подобные преимущества электротермического ускорителя, используемого в качестве установки для нанесения покрытий дают возможность реализовать уникальные технологии.

Первые работы по применению импульсных плазменных ускорителей для нанесения покрытий из порошковых материалов появились в конце семидесятых годов [14−16]. Эти ускорители представляли собой коаксиальные рельсо-троны, разрядный промежуток которых образован коаксиальными коническими или цилиндрическими электродами [17−19]. С помощью этих установок были нанесены экспериментальные покрытия из порошков различных материалов, в том числе ВК-25, Си и др. Обращает на себя внимание весьма большая величина разрядных токов, достигающих 400-е-600 кА [20−22], а также низкая электрическая эффективность (не более 60%), что практически исключало использование данных ускорителей в частотном режиме.

Появившиеся позже разработки [23] не привнесли сколь-нибудь существенных изменений в характеристики подобных установок. Таким образом, по сути дела была продемонстрирована принципиальная возможность ускорения и нагрева микрочастиц порошка с помощью импульсных электродинамических и электротермических ускорителей.

Новые результаты в развитии работ по применению электротермических ускорителей для нанесения покрытий из порошковых материалов были получены в начале девяностых годов [24−36]. Прежде всего это касается разработки физических моделей ускорителя, которые позволили провести анализ динамики потоков, а также ускорения микрочастиц [37−45]. Был также измерен целый ряд параметров этих ускорителей, проведены эксперименты по нанесению покрытий.

Основным результатом этих работ явилась показанная возможность создания промышленной установки, основанной на ускорении микрочастиц в плазменном потоке, формируемом в электротермическом ускорителе. Вместе с тем недостатки подобного метода ускорения, в частности, возможность быстрого неконтролируемого нагрева микрочастиц вплоть до температуры испарения, определили необходимость выбора нового способа ускорения. Данный способ должен обеспечивать возможность ускорения микрочастиц до высоких скоростей с сохранением контроля их теплового состояния. Подобная задача предполагает решение целого ряда проблем, связанных с исследованием структуры и измерением параметров формируемых потоков, исследованием динамики ускорения микрочастиц в стволе ускорителя и динамики их распространения в пространстве между срезом ствола и подложкой.

В результате проводимых работ был предложен новый способ ускорения микрочастиц областью ударно-сжатого газа, формируемой в головной части потока, а также формирования этой области с использованием мультиразрядной схемы разрядного узла. Диссертация посвящена решению вопросов, связанных с возможностью реализации данного способа ускорения.

Целью диссертации является:

1. Анализ формирования области ударно-сжатого газа за ударной волной в импульсном электротермическом ускорителе и ускорения в этой области микрочастиц порошковых материалов.

2. Анализ динамики высокоскоростных потоков в импульсном электротермическом ускорителе с мультиразрядной схемой построения разрядного узла.

3. Анализ процессов ускорения и нагрева микрочастиц порошковых материалов в сформированных потоках.

4. Анализ динамики потоков и микрочастиц в пространстве между срезом ствола электротермического ускорителя и подложкой.

5. Создание экспериментальных образцов импульсных электротермических ускорителей порошковых материалов.

6. Экспериментальное исследование электрических характеристик разрядных узлов ускорителей.

7. Экспериментальное исследование структуры и характеристик формируемых потоков в электротермическом ускорителе.

Научная новизна:

Впервые предложен способ ускорения микрочастиц порошковых материалов областью ударно-сжатого газа (газовой пробкой), формируемой головной ударной волной в стволе электротермического ускорителя. На основе разработанных моделей и экспериментально определенных характеристик потоков в ускорителе впервые определены параметры данной области, а также размеры микрочастиц, при которых обеспечиваются условия для их устойчивого ускорения. Установлено, что данный способ дает возможность в несколько раз повысить скорость микрочастиц с размерами до 5 мкм, осуществить контроль над процессом их нагрева, существенно снизить энергопотребление ускорителя.

Впервые предложено формирование области ударно-сжатого газа потока для ускорения микрочастиц посредством пространственно-временного профилирования ударной волны за счет использования мультиразрядных схем разрядного узла электротермического ускорителя. Анализ динамики потоков, проведенный с учетом измеренных для данного случая их характеристик, показал возможность расширения диапазона размеров ускоряемых микрочастиц с 5 мкм до 40 мкм и более с сохранением высоких значений их скоростей: до 1,5-г-2 км/с и выше.

Впервые установлено, что в случае мультиразрядной схемы разрядного узла ускорителя возможно осуществлять практически независимое регулирование скорости и температуры нагрева микрочастиц, что открывает большие возможности в технологических применениях.

Впервые установлено, что для данного режима работы ускорителя выбором соответствующего расстояния от среза ствола до подложки возможно избежать потерь скорости микрочастиц в пространстве за срезом ствола, а также сохранить их температурное состояние.

Практическая ценность.

Полученные в работе результаты позволяют создать промышленную установку на основе импульсного электротермического ускорителя по нанесению покрытий из порошковых материалов. Установка по своим потенциальным воз. 7 можностям имеет существенные преимущества перед аналогами (газопламенным, детонационным, плазмотронным). Так скорость микрочастиц может быть повышена более чем вдвое и превзойти величину 2 км/с, что даст рекордные значения адгезии. Использование мультиразрядной схемы разрядного узла позволяет осуществить практически независимую регулировку скорости микрочастиц и температуры их нагрева, провести ускорение микрочастиц с широким диапазоном их размеров до высоких значений скоростей. Конструкции разрядных узлов и разработанные режимы ускорения позволяют существенно снизить энергопотребление установки: до единиц киловатт на частоте до 10 Гц. Установка сравнительно легко адаптируется к ускорению микрочастиц различных материалов и размеров и может проводить ускорение в произвольной по составу и давлению среде, в том числе при атмосферных условиях, что весьма важно в промышленных применениях.

Подобные возможности установки позволяют реализовать уникальные технологии по нанесению покрытий.

На защиту выносятся.

1. Способ ускорения микрочастиц порошковых материалов низкотемпературной областью ударно-сжатого газа потока в электротермическом ускорителе.

2. Результаты анализа формирования области ударно-сжатого газа и критерии устойчивого ускорения микрочастиц в этой области.

3. Результаты анализа формирования области ударно-сжатого газа с использованием мультиразрядной схемы разрядного узла в ускорителе.

4. Результаты анализа динамики потоков, процессов ускорения и нагрева микрочастиц порошковых материалов в электротермическом ускорителе с мультиразрядной схемой построения разрядного узла.

5. Результаты анализа динамики потоков и движения частиц в пространстве между срезом ствола и подложкой.

6. Результаты экспериментального исследования характеристик разрядных узлов электротермического ускорителя.

7. Результаты исследования структуры сформированных потоков в электротермическом ускорителе.

8. Результаты экспериментального исследования характеристик потоков в электротермическом ускорителе.

Достоверность научных результатов подтверждается сравнением результатов расчетов «с использованием разработанных моделей с многократно повторенными экспериментальными измерениями различных параметров ускорителя и формируемых потоков, дублированием измерений посредством использования различных экспериментальных методик.

Апробация работы.

Основные результаты и положения диссертации были представлены на следующих симпозиумах и конференциях: The 6-th European Symposium on electromagnetic launch technology. The Hague, Netherlands, 25−28 May, 1997; The 11th IEEE International Pulsed Power Conference, Baltimore, Maryland, June 29 — July 2, 1997; Научная сессия МИФИ-98. Москва, МИФИ, 19−23 января 1998 г.- The 6-th International Conference on the Science of hard Materials ICSHM-6, Lanzarote, Spain, March 9−14, 1998; The 9-th Electromagnetic Launch Symposium EML-98. Edinburgh, Scotland, UK, May 13−15, 1998.

Публикации.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 8 работах.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 110 источников.

Основные результаты диссертации сводятся к следующему:

1. Анализ динамики потоков и ускорения микрочастиц на основе физических моделей ускорителя порошковых материалов показал, что ускорение в т.н. квазистационарной части потока приводит к быстрому неконтролируемому нагреву микрочастиц вплоть до температуры испарения. При этом микрочастицы порошка практически независимо от их размеров успевают набрать скорость, составляющую около 10+20% от величины скорости потока.

2. Предложен способ ускорения микрочастиц в узкой области потока за ударной волной, которая характеризуется повышенным значением плотности и пониженным значением температуры, которые определяются интенсивностью головной ударной волны. Определены соответствующие параметры данной области для захвата микрочастиц в режим устойчивого ускорения, в процессе которого микрочастицы приобретают скорость, превышающую 80+90% от скорости потока с сохранением контроля их теплового состояния.

3. Проведен анализ формирования низкотемпературной области ударно-сжатого газа в электротермическом ускорителе с одним разрядным промежутком. Определены условия формирования данной области потока. Показано, что захват в режим устойчивого ускорения может осуществляться для микрочастиц порошковых материалов с диаметрами до 5 мкм при плотности их материала до 10 кг/дм3. Значения скоростей микрочастиц достигают 1+1,5 км/с при контроле их теплового состояния. Режим работы ускорителя характеризуется весьма малым потреблением энергии и большим сроком службы разрядного узла.

4. Проведен анализ процессов формирования области ударно-сжатого газа в ускорителе с двумя последовательно расположенными разрядными промежутками. Показана возможность дополнительного снижения температуры данной области по сравнению со случаем ее формирования с помощью одной ударной волны. Показано, что скорость микрочастиц порошковых материалов с диаметрами до 5 мкм при этом может быть повышена на 25−30% и достичь 2 км/с. Проведенный анализ показал, что в предложенной схеме разрядного узла с двумя последовательно расположенными разрядными промежутками реализуется возможность практически независимого регулирования скорости микрочастиц и степени их нагрева.

5. В результате проведенного анализа динамики потоков в ускорителе с двумя разнесенными в пространстве вдоль ствола разрядными промежутками показано, что в этом случае создаются условия для существенного увеличения массы области ударно-сжатого газа при сохранении высоких значений ее скорости. Это позволяет значительно поднять верхний предел размеров ускоряемых микрочастиц (до 40 мкм и выше), достичь высокие скорости, обеспечивая условия контроля их теплового состояния.

6. Показано, что динамика микрочастиц за срезом ствола может оказать существенное влияние на качество покрытий на подложке. При определенных условиях, в том числе и соответствующем расположении подложки, может произойти значительное торможение микрочастиц, что неизбежно скажется на снижении адгезии покрытия. Установлено, что выбором соответствующего расстояния от среза ствола до подложки возможно избежать потерь скорости микрочастиц в пространстве за срезом ствола, а также сохранить их температурное состояние.

7. Создан экспериментальный образец электротермического ускорителя порошковых материалов с одним разрядным промежутком. Уровень запасаемой энергии в емкостном накопителе ускорителя варьируется от 200 Дж до 1 кДж. Длина разрядного промежутка в стволе ускорителя не превышает 2 см. Эффективность вложения энергии в разрядный промежуток в течение первого полупериода тока разряда составляет 40+50% в силу малости значения сопротивления плазмы разряда. Увеличение этой величины и повышение эффективности ускорителя связаны с увеличением длины разрядного проме.

118 жутка при одновременном уменьшении волнового сопротивления разрядного контура.

8. Создан экспериментальный образец электротермического ускорителя с двумя последовательно расположенными разрядными промежутками, в котором реализовано пространственно-временное профилирование режима вложения энергии и формирования ударной волны. Исследования электрических характеристик ускорителя показали, что за счет увеличения длины основного разрядного промежутка до 5 см получен практически двукратный рост эффективности вложения энергии в разряд по сравнению с одноразрядным вариантом ускорителя.

9. Разработана методика и проведены эксперименты по визуализации структуры потока, формируемого в стволе одноразрядного электротермического ускорителя. Эксперименты проводились с использованием высокоскоростного фоторегистратора, работающего в режимах покадровой съемки и щелевой фоторазвертки, а также с помощью методик теневой и интерферометриче-ской фотографии. Зафиксировано существование низкотемпературной области ударно-сжатого газа. Установлено, что задняя граница этой области перемешивается с плазменной частью потока, что приводит к укорочению ее длины.

10. Проведены экспериментальные исследования динамики потоков, формируемых в стволах экспериментальных образцов электротермических ускорителей, в частности, проведены измерения скорости движения фронта ударной волны и плазменной части потока, а также пространственные протяженности низкотемпературной области ударно-сжатого газа. Скоростные параметры потоков хорошо согласуются с результатами соответствующих расчетов. Зафиксировано интенсивное торможение потока при увеличении длины ствола, что указывает на неэффективность увеличения скорости сформированной низкотемпературной области ударно-сжатого газа путем увеличения уровня энерговложения в разряд. Существенное увеличение массы данной области.

119 при сохранении ее скоростных параметров достигается разнесением разрядных промежутков по пространству вдоль ствола ускорителя. Экспериментальные значения длины области ударно-сжатого газа являются меньшими по сравнению с данными расчетов, что определяется перемешиванием ее задней границы с относительно горячей плазменной частью потока. 11. Проведены экспериментальные измерения температуры плазменной части потоков, формируемых в стволах экспериментальных образцов электротермических ускорителей. Для измерений использовался метод относительных интенсивностей линий излучения атомов меди. Зафиксировано существенное увеличение температуры потока при увеличении уровня энерговложения в разрядный промежуток ускорителя, а также интенсивное снижение температуры в процессе распространения потока вдоль ствола ускорителя. Показано, что плазменный поток трехэлектродного ускорителя при одинаковом уровне энергонакопления оказывается ниже температуры потока двухэлектродного ускорителя, что определяется меньшим уровнем удельного энерговложения в разрядный промежуток. Результаты проведенных экспериментальных измерений температуры согласуются с данными теоретических расчетов.

Предложенный способ ускорения микрочастиц порошковых материалов был реализован в конструкциях экспериментальных образцов электротермических ускорителей с разрядным узлом, содержащим один и два разрядных промежутка. На основе проведенных исследований в настоящее время проводятся эксперименты по напылению порошковых материалов на различные подложки и исследованию характеристик получаемых покрытий.

Заключение

.