Большой интерес к процессам взаимодействия многофазных потоков с преградой связан с созданием и развитием новых технологий нанесения порошковых покрытий, получения новых материалов, модификации поверхности и т. д.
В современных условиях особое значение приобретают проблемы надежности и долговечности машин и механизмов, экономного расходования материалов, энергии и трудовых ресурсов. Решение этих задач неразрывно связано с обеспечением эффективной защиты поверхностей деталей и конструкций от коррозии и изнашивания. 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, обладающих высоким уровнем требуемых свойств — коррозионной стойкости, износостойкости, твердости, жаростойкости и др. Такой путь представляет значительные резервы экономии сырьевых ресурсов. Применение технологического улучшения свойств поверхности материала расширяет перспективы проектирования и производства различного оборудования с более высоким уровнем эксплуатационных показателей.
Существуют различные способы поверхностной обработки, из которых важное место занимают различные методы порошкового напыления. В процессе больших качественных изменений, происходящих в современном промышленном производстве, напылению суждено стать одной из перспективнейших технологий, широкое применение которой будет сопровождаться повышением производительности оборудования для нанесения покрытий с оснащением его средствами механизации и автоматизации, а также появлением разнообразных и более совершенных методов напыления. Таким образом, можно говорить, что напыление развилось в особую технологию поверхностной обработки материалов, отличающуюся большим своеобразием и широкими областями применения.
Среди различных технологий нанесения покрытий из порошковых материалов, позволяющих решать указанные задачи повышения ресурса работы и восстановления деталей машин и механизмов, широкими комплексными возможностями обладают газотермические (газопламенные, плазменные, детонационные и др.) методы нанесения порошковых покрытий, позволяющие формировать покрытия из различных материалов и обеспечивать широкий спектр физико-химических и потребительских свойств [1, 2, 3,4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12,13, 14, 15]. Большой вклад в изучение высокотемпературных струйных течений и разработку физических основ газотермических методов нанесения покрытий внесен научными школами ИМЕТ им. А. А. Байкова РАН, ИМАШ РАН, МАТИ, НИАТ, ИТ СО РАН, ИГ СО РАН. Высокая эффективность и универсальность методов напыления определяется следующими принципиальными особенностями [5, 13, 2]:
1. Возможность нанесения покрытий из различных материалов — чистых металлов и сплавов на их основе, металлидных и металлических соединений, оксидов, органических веществ и ряда других материалов, в том числе в различных сочетаниях. Можно напылять различные материалы в несколько слоев, что позволяет получать покрытия со специальными характеристиками.
2. Получение покрытий на самых различных конструкциях и материалах — на металлах, стеклах, керамике, пластмассах, тканях, бумаге и т. д. Равномерное покрытие можно напылить как на большую площадь, так и на ограниченные участки больших изделий, тогда как нанесение покрытий погружением в расплав, электролитическое осаждение, диффузионное насыщение и другие методы могут быть использованы в основном для деталей, размеры которых не превышают рабочих объемов используемых для этих целей ванн или нагревательных устройств. Напыление является наиболее удобным и высокоэкономичным методом в случаях, когда необходимо нанести покрытие на часть большого изделия.
3. Технологический процесс напыления обеспечивает высокую производительность нанесения покрытия (до 20 кг/час) и характеризуется относительно небольшой трудоемкостью.
4. Напыление является одним из наиболее эффективных способов в случаях, когда необходимо значительно увеличить размеры детали (восстановление и ремонт изношенных деталей).
5. Возможность напыления различных материалов с помощью одного и того же оборудования изменением только режимов напыления.
6. Оборудование, на котором производят напыление, является сравнительно простым.
7. Напыление можно использовать для изготовления деталей различной формы. В этом случае напыление производят на поверхности оправки, которую после окончания процесса удаляют: остается оболочка из напыленного материала.
8. Не требуется специальной дорогостоящей обработки (очистки) продуктов, загрязняющих окружающую среду, в отличие от средств очистки и нейтрализации при гальванических видах обработки изделий и вакуумном напылении с том числе.
С помощью современных технологий газотермического напыления можно решить ряд важных задач. К ним, в первую очередь, следует отнести получение материалов и покрытий с уникальными свойствами, которые необходимы для развития новой техники.
Общим для всех газотермических методов является то, что материал покрытия нагревается и ускоряется в высокотемпературном газовом потоке. На поверхность подложки напыляемый материал поступает в виде мелких расплавленных или пластифицированных частиц, которые, ударяясь об нее, деформируются и, закрепляясь, образуют сплошное покрытие.
Первым изобретателем способа металлизации был М. Шооп, который после многочисленных опытов в 1912 году получил металлический слой, напыленный ручным пистолетом. В 1921 году Шооп создал аппарат серии PG, являющийся прототипом современных металлизационных аппаратов. В России газопламенную металлизацию начали применять с конца 20-х годов.
Источники нагрева распыленного материала, применяемые при металлизации, исключают возможность нанесения покрытий из непроводящих тугоплавких материалов. Прочность и плотность покрытий не всегда удовлетворяют жестким условиям эксплуатации [4, 16, 17].
Существенный толчок развитию методов напыления дало применение плазменных источников нагрева. Создание в конце 50-х годов надежной техники генерирования низкотемпературной плазмы, позволило разработать новые плазмотроны для нанесения покрытий. В настоящее время это один из наиболее развитых процессов плазменной обработки, позволяющий не только упрочнять поверхность конструкционных материалов, но и дающий возможность создавать новые композиционные материалы и покрытия, которые не могут быть получены другими методами [1, 10, 8, 18, 19, 20, 21].
В рассмотренных методах нанесения покрытий из порошковых материалов (газопламенный, плазменный) возможности варьирования кинетической энергии распыляемых частиц ограничены. Улучшение качества покрытий при использовании источников такого типа энергии достигаются следующими факторами: совершенствованием качества исходной подготовки поверхности подложки, подогревом подложки в процессе напыления, применением металлических подслоев, использованием мелкодисперсных порошков и мощных плазмотронов с соответствующими размерами и конфигурацией распылительных сопел, применением высокоэнтальпийных материалов, созданием контролируемой окружающей среды, последующей специальной обработкой покрытий, перегревом напыляемых частиц и пр. Однако многие технологические и конструкторские задачи, возникающие при создании новых образцов техники, не могут быть решены с помощью этих методов напыления. Поэтому поиск и разработка новых методов нанесения покрытий продолжается [22, 23, 24, 25, 26].
Эффективным способом улучшения качества покрытий является увеличение скорости соударения частиц с подложкой. Одним из широко развитых высокоскоростных методов является детонационно-газовый метод нанесения покрытий [7, 3, 6]. Он впервые был запатентован в 1955 году фирмой «Linde» (USA), входящей в корпорацию «Union Carbide» [6]. Детонационно-газовые покрытия успешно используются для упрочнения нагруженных поверхностей деталей, изготовленных из самых разнообразных материалов. Покрытия на основе различных материалов (металлов, сплавов, тугоплавких соединений, керамики и их композиций) отличаются высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами (плотностью, прочностью, теплостойкостью и пр.). Вместе с тем, детонационному напылению свойственны недостатки, связанные, в частности, с использованием взрывоопасных смесей типа ацетелен — кислород, импульсными режимами работы (когда покрытие наносится не непрерывно, а частыми выстрелами) и с возможностью нанесения покрытий только на те материалы, в которых не возникает остаточная деформация при воздействии взрывной волны. К недостаткам этого метода относится высокая стоимость оборудования и существенные требования к технике безопасности (взрывоопасность, высокий уровень шума (до 140 дБ) и т. д.) [5, 13].
В последние годы интенсивно развивается высокоскоростной газопламенный метод (HVOF) [31, 32, 33, 27 ]. В высокоскоростных газопламенных аппаратах кислород и топливо смешиваются в цилиндрической камере устройства, порошок инжектируется по оси. Далее следует сужающееся сопло, переходящее в трубку постоянного диаметра. В качестве топлива используются пропилен, ацетилен и в качестве окислителя кислород. Энергия, высвобождающаяся при горении, идет на нагрев и ускорение газа и порошка. Скорость рабочего газа зависит от композиции исходных газов, давления, температуры, плотности и сечения, через которое газ движется. По выходе из трубки постоянного сечения струя, истекающая с избытком давления с нерасчетностью около 2, расширяется и достигает сверхзвуковых скоростей. Максимальная скорость газа около 1400 м/с. Максимальная скорость частиц около 400 — 500 м/с для частиц размером 40 мкм [28, 29, 30].
В жидкотопливных высокоскоростных пламенных аппаратах в камеру впрыскивается жидкое топливо и кислород. Далее следует сверхзвуковое сопло Лаваля, вслед за которым располагается барель — трубка постоянного сечения. Число Маха на выходе сопла и соответственно входе барели М = 2. На выходе барели газовый поток еще сверхзвуковой и давление больше атмосферного. Продукты горения на выходе сопла образуют область пониженного давления, куда вводится порошок. Радиальное введение порошка в область пониженного давления позволяет уменьшить давление в дозаторе.
Высокое давление (5−10атм) позволяет получать большие скорости. Порошки меньше окисляются, т.к. находятся в потоке малое время из-за высоких скоростей, о чем говорит малое содержание окислов в покрытиях. Барель помогает обеспечить более однородный прогрев частиц. Смешение струи с окружающей атмосферой приводит к окислению частиц. Таким образом, ускорение частиц производится нерасчетной струей, имеющей 8−12 «бочек», и общей длиной около 20 см. Сильные звуковые волны от начала струи, то есть от среза сопла, возникают от взаимодействия вихрей турбулентного слоя смешения с ударными волнами. Интенсивность звука пропорциональна силе УВ, а длина волны — длине бочки.
Для поддержания в рабочем состоянии камеры сгорания, сопла и барели требуется применять водяное охлаждение, на котором теряется около 30% энергии, выделяемой при сгорании топлива.
Отмечается существенное улучшение свойств покрытий при их получении с помощью высокоскоростных жидкотопливных аппаратов, что выражается в пониженном содержании окислов, более высокой адгезии, уменьшенной пористости [31, 32, 33, 34]. Однако этот метод, используя струю продуктов сгорания с температурой ~ 3000 К, также имеет значительные ограничения связанные с этим.
Наряду с очевидными достижениями в области газотермических методов нанесения покрытий выявлен ряд факторов негативного характера, связанных с использованием высокотемпературных струй [1, 3, 4, 5, 6, 7, 35]. Это, конечно же, накладывает определенные ограничения на области применения данных методов.
При движении порошка в высокотемпературной струе могут произойти ф значительные изменения его свойств (окисление, фазовые переходы, разложение и т. д.), что в ряде случаев является причиной невозможности нанесения покрытий с определенными, заданными свойствами.
Наличие высоких температур во многих случаях делает совершенно невозможным нанесение композиционных покрытий из механической смеси порошков, значительно различающимся по физико-химическим свойствам.
С уменьшением размера частиц, используемого при напылении, улучшается заполнение покрытия — плотность его увеличивается, объем микропустот уменьшается, строение покрытий становится более однородным, появляется возможность наносить тонкие поверхностные пленки покрытия. Однако слишком мелкие порошки не могут быть использованы для газотермических методов напыления, особенно это касается нетугоплавких материалов, т.к., будучи введенными в высокотемпературную струю, такие порошки могут в ней полностью испариться. По этой причине для напыления этими методами обычно используют порошки размером более 50 мкм.
Наличие высокотемпературной струи может явиться причиной существенного нагрева обрабатываемого изделия (особенно при напылении на достаточно мелкие детали).
В процессе напыления частицы могут образовывать при высоких температурах различные токсичные соединения, что вызывает необходимость I проведения дополнительных работ по защите обслуживающего персонала. К уже отмеченным выше недостаткам традиционных методов напыления (плазменный и детонационно-газовый) следует добавить сложность и высокую стоимость оборудования, малый ресурс работы отдельных узлов, а также сложность управления процессом напыления. Все это, является причиной необходимости поиска и создания новых методов напыления.
Выявленный в ИТПМ СО РАН эффект образования прочных покрытий при обтекании тел сверхзвуковым двухфазным потоком (газ + твердая частица) с температурой торможения газа 300 К [36, 37] показал, что наличие высоких температур в струе с расплавленными частицами не является необходимым условием формирования покрытий. При определенных параметрах двухфазной струи (скорости, концентрации, размера частиц и пластичности их материала) возможно формирование прочных покрытий при температуре существенно меньшей температуры плавления материала частиц, в процессе ударно-импульсного взаимодействия и пластической деформации в области контакта частиц и преграды. Сравнение основных параметров двухфазного потока, при которых был зарегистрирован эффект напыления, с параметрами, реализуемыми в газотермических методах напыления [38], показывает, что реализован новый метод нанесения покрытий, который был назван методом «холодного» газодинамического напыления (ХГН). Этот метод, показав свою уникальность и перспективность широкого практического использования, вызвал в России [39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47] и за рубежом [48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62] огромный интерес и потребовал всестороннего его исследования.
Изучению и обоснованию физических основ метода газодинамического напыления, исследованию различных вопросов (газодинамические аспекты натекания сверхзвуковых струй на преграду, теплообмена струи с преградой, ускорение частиц, их высокоскоростное взаимодействие с поверхностью преграды и т. д.), связанных с ним и посвящена данная работа.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Института теоретической и прикладной механики СО РАН по теме: «Динамика вязких жидкостей и газов. Исследование физических процессов в двухфазных потоках», (шифр 4.1.1. 10.1.8), по программе СО РАН «Механика, научные основы машиностроения и надежности машин», а также в рамках Программы СО РАН «Научные основы конструирования новых материалов и создание перспективных технологий» (шифр 6.4.1. 10.2.6) и интеграционных проектов № 57 ИТТТМ СО РАН и ИХ ДВО РАН «Металлокомпозитные материалы» и № 45 ИФПМ СО РАН и ИТПМ СО РАН «Физические процессы на границах раздела при получении гетерогенных материалов и покрытий» .
Цель работы: исследование особенностей и закономерностей процессов формирования сверхзвуковых двухфазных (газ + тв. частицы) струй, их взаимодействия с преградой и формирования покрытий из мелкодисперсных твердых частицисследование основных закономерностей метода «холодного» газодинамического напыления (ХГН) — экспериментальное исследование и моделирование адгезионного взаимодействия микрочастиц с преградойразработка различных технологий напыления.
Автор защищает результаты:
1. Исследования течений в соплах с прямоугольным сечением сверхзвуковой части, истечения струй из таких сопел и натекания их на преграду, включая вопросы теплообмена струи с преградой.
2. Измерения и расчета скорости частиц, расчета оптимального сопла для напыления.
3. Исследования процессов формирования покрытий методом ХГН в зависимости от скорости и концентрации частиц, температуры струи и преграды.
4. Исследований нанесения покрытий из смеси различных порошковых материалов, в том числе, с возможностью возбуждения высокотемпературного синтеза.
5. Исследования высокоскоростного взаимодействия с преградой твердых (нерасплавленных) микрочастиц.
6. Моделирования адгезионного взаимодействия микрочастиц с поверхностью преграды в зависимости от их скорости и температуры.
7. Исследования свойств покрытий и разработки технологий ХГН.
Научная новизна заключается в следующем:
— установлено, что на параметры течения внутри сопла большой длины (L = 20 — 50 К) с прямоугольным сечением сверхзвуковой части, заметное влияние оказывает пограничный слой;
— зарегистрировано, что при определенных расстояниях от среза сопла до преграды наблюдается неустойчивость струи, выражающаяся в возникновении ее поперечных колебаний;
— определена толщина сжатого слоя при натекании струи на преграду;
— измерены распределения по поверхности преграды коэффициента теплообмена, рассчитана температура преграды и показано, что для теплопроводных материалов заметно снижение температуры поверхности в пятне напыления по сравнению с температурой торможения;
— измерены скорости частиц на срезе сопла, проведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных и предложена аппроксимационная зависимость скорости частиц от определяющих параметров задачипредложено компьютерное приложение, позволяющее проводить расчет скорости и температуры частиц при газодинамическом напылении;
— поставлена и решена задача оптимизации параметров сопла (длина и толщина сверхзвуковой части сопла) по скорости удара частиц о преграду;
— получена зависимость степени деформации сферических алюминиевых частиц при высокоскоростном ударе от их кинетической энергии, позволяющая верифицировать результаты моделирования;
— моделированием тепловыделения в зоне контакта показано, что влияние толщины зоны тепловыделения на температуру в контакте, особенно для частиц dp < 10 мкм, мало и можно принимать, что тепло выделяется в слое нулевой толщиныдля металлических частиц размером dp < 50 мкм недопустимо условие адиабатичности, обычно применяемое при моделировании ударного деформирования макротелпри скорости, зависящей от размера частицы, в ней может появиться тонкий слой расплавленного металла и поддерживаться за счет тепловыделения в вязком пограничном слоемоделированием адгезионного взаимодействия частицы с преградой показано, что существует оптимальный для газодинамического напыления размер частиц (по вероятности закрепления на поверхности преграды) — предложена модель, учитывающая зависимость процесса напыления от коллективного взаимодействия частиц с преградойнайдены режимы напыления из механической смеси мелкодисперсных порошков, позволяющие проводить синтез интерметаллидов на напыляемой поверхности непосредственно в процессе напыленияполучены метал-полимерные (Си + тефлон) покрытия, имеющие электропроводность близкую к электропроводности меди и коэффициент трения, сравнимый с коэффициентом трения тефлонапроведено моделирование износа при трении исследованных композитов, результаты которого согласуется с экспериментальными даннымиразработаны оборудование и технологии нанесения электропроводных коррозионностойких покрытий на электротехнические изделия и антикоррозионных покрытий на внутреннюю поверхность длинномерных трубпереносная (ручная) установка для нанесения порошковых покрытий методом ХГН, обеспечивающая нанесение покрытий на открытых площадках, для проведения ремонтных и восстановительных работ и т. д.
Достоверность полученных результатов обоснована анализом методических ошибок используемых диагностических систем, сравнительным анализом экспериментальных и расчетных данных, полученных различными методами, а также их сопоставлением с известными данными.
Практическая ценность работы состоит в возможности создания нового поколения технологии использования полученных результатов для решения широкого круга научно-технических и производственных задач в области материаловедения, машиностроения, металлургии, электротехники, транспорта и т. д. при производстве продукции с коррозионностойкими, антифрикционными, электропроводящими, упрочняющими покрытиями, в том числе допускающей ограниченное термическое воздействие (из фольг, лент, неорганического стекла, токопроводящих керамик и т. п.).
В частности, результаты могут быть использованы:
• для создания или уточнения физических и математических моделей взаимодействия одиночных частиц с преградой;
• при разработке новых технологических процессов нанесения покрытий;
• при разработке установок и технологических линий различного назначения реализующих метод ХГН.
Результаты разработки метода ХГН и устройств для его реализации переданы и используются в ряде организаций Российской Федерации (НМЗ им. А. Н. Кузьмина, г. НовосибирскСибНИА, г. НовосибирскНИИ ВТ Мин-речфлота РФ, г. НовосибирскМАИ, г. МоскваЗападносибирский металлургический комбинат, г. НовокузнецкНИЦ «Антикор» МПС, г. Новосибирски др. и зарубежом: Институт механики жидкостей DLR (Геттинген, ГЕРМАНИЯ), Институт исследования металлов КАН (Шэньян, КИТАЙ), Международный исследовательский центр передовых технологий порошковой металлургии и новых материалов (Хайдарабад, ИНДИЯ).
Апробация работы. Результаты работы докладывались и представлялись на следующих конференциях, семинарах и выставках:
1. X Всесоюзная научно-техническая конференция: Высокоскоростная фотография и метрология быстропротекающих процессов. Москва, 1981.
2. Всесоюзный семинар «Многофазные потоки в плазменной технологии. Проблемы моделирования». Барнаул 1984.
3. 12 Всесоюзная научно-техническая конференция «Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология». Москва, 1985.
4. Всесоюзная научно-техническая конференция «Применение плазменных процессов и порошковых покрытий в промышленности». Свердловск, 1988.
5. Международное рабочее совещание «Высокотемпературные запыленные струи в процессах обработки порошковых материалов». Новосибирск, 1988.
6. Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике. Ташкент, 1986.
7. Всесоюзный научно-практический семинар. «Новые системы покрытий цинка и его сплавов с алюминием для защиты металлопроката и труб». Днепропетровск, 1990.
8. Конференция «Новые процессы и оборудование для нанесения покрытий». Москва, 1990.
9. Выставка «Сибирский прибор», Новосибирск, 1990.
Ю.Семинар «Работы в области восстановления и упрочнения деталей». Москва, 1991.
11.Выставка «Уголь-металл» (Международная ярмарка), Новокузнецк, 1994 г.
12.Международная конференция по плазменным покрытиям. США, Бостон, 1994.
13.Конференция «Состояние и перспективы восстановления и упрочнения деталей машин». Москва, 1994.
14.Региональный семинар «Новые технологии и научные разработки в энергетике». Новосибирск, 1994.
15. Между народная выставка «Технологии из России», США, Вашингтон, 1994 г.
16.4-ая Международная конференция «Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологий». Томск, 1995. 17. XVI Всеросийский семинар «Струйные и нестационарные течения в газовой динамике». Новосибирск, 1995. 18.1 конференция Сибирской Ассоциации Материаловедов «Материалы.
Сибири". Новосибирск, 1995. 19.8th International Conference on the Methods of Aerophisical Research. Novosibirsk, 1996.
20.Симпозиум «Синергетика. Самоорганизующиеся технологии». Москва, 1996.
21.Сибирская ярмарка «Наука Сибири 96», Новосибирск, 1996. г.
22.3 Международное рабочее совещание «Генераторы термической плазмы и технологии» (приуроченная к 80-летию академика РАН М.Ф.Жукова). Новосибирск, 1997.
23.Международная научно-техническая конференция «Научные основы высоких технологий». Новосибирск, 1997.
24.5 Международная конференция «Пленки и покрытия '98». Санкт-Петербург, 1998 г.
25.9 th International Conference On The Methods Of Aerophisical Research. Novosibirsk, 1998.
26.Thermal Spray Symposia at the ASM Materials Solutions Conference & Exposition. Rosemont, Illinois, USA, 1998.
27.United Thermal Spray Conference, Germany, Diisseldorf, 1999.
28." Materials Solutions, 1999″, USA, Cincinnati, 1999.
29.10 th International Conference On The Methods Of Aerophisical Research. Novosibirsk, 2000.
30.6 Международная конференция «Пленки и покрытия '2001». Санкт-Петербург, 2001 г.
31. International Thermal Spray Conference and Exposition «Advancing Thermal Spray in the 21st Century», Singapore, 2001.
32.Восьмой Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. Пермь, 2001 г.
33.International Thermal Spray Conference 2002 (ITSC 2002), Essen, Germany,.
2002.
Публикации. Основное содержание и результаты диссертации опубликованы в работах: [36, 37, 63, 69 — 72, 77, 78, 81 — 83, 92 — 109, 115, 118, 122,125 — 128,134 — 139, 141,144,147, 150 — 155].
Объем и структура работы. Общий объем диссертации составляет 293 страницы, в том числе 143 рисунка, 16 таблиц и списка литературы из 155 наименований.
Основное содержание работы. Во введении представлено обоснование Ф актуальности темы диссертации, отмечены особенности развиваемого направления и его основные задачи, сформулированы наиболее важные научные и практические результаты, представленные к защите.
В первой главе, рассмотрены вопросы ускорения мелкодисперсных частиц в сверхзвуковых соплах и формирования плоских сравнительно тонких двухфазных струй, обеспечивающих высокую производительность напыления по площади. Представлены экспериментальные и расчетные результаты исследования течения газа в соплах с прямоугольным сечением сверхзвуковой части. Показано, что отношение чисел Маха (отношение вычисленного или измеренного числа Маха к числу Маха для идеального газа) в исследованных диапазонах чисел Маха, угла раскрытия сверхзвуковой части сопла и других размеров зависит в основном от относительной толщины сопла h/L. Получены л профили М и избыточной температуры АТ0 =Т0—Та, осевые продольные у распределения pQ, р,.
М АТо для воздушных затопленных струй. Исследовано влияние нерасчетности и показано, что длина сверхзвукового участка струи растет как Представлены результаты по взаимодействию сверхзвуковой струи с плоской преградой. Показано, что распределение давления по поверхности преграды вдоль меньшего размера сопла автомодельно и не зависит от угла встречи. При определенных расстояниях от среза сопла до преграды наблюдается неустойчивость струи, выражающаяся в возникновении ее поперечных колебаний. Профили числа Маха и избыточной температуры торможения пристенной струи автомодельны, причем толщина пристенного пограничного слоя пренебрежимо мала вплоть до расстояний x/h «18. В случае околорасчетного истечения струи толщину сжатого слоя (величину отхода скачка уплотнения от поверхности) можно оценить значением 0,45й. Эксперименты по теплообмену сверхзвуковой струи с преградой показывают немонотонное изменение коэффициента теплопередачи в окрестности критической точки при увеличении дистанции. Максимальное значение достигается при z*/h «5 — 7. Обработкой экспериментальных данных найдена аппроксимирующая функция распределения коэффициента теплопередачи по поверхности преграды. Используя экспериментальные данные по температуре торможения и коэффициенту теплообмена, в стационарном случае рассчитана температура преграды и показано, что за счет перераспределения тепла внутри преграды для теплопроводных материалов (к > 40 Вт/м-К) заметно снижение температуры поверхности в пятне напыления по сравнению с температурой торможения. Результаты исследований, полученные в данной главе, позволили непосредственно перейти к задачам, связанным с ускорением частиц в сверхзвуковом сопле, свободной струе и в области ударного сжатого слоя перед преградой, а затем и к задаче оптимизации параметров сопла по скорости частиц в момент удара.
Вторая глава посвящена экспериментальному и численному исследованиям по определению скорости частиц на срезе сопла при различных условиях ускорения. Проведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных и показано их хорошее соответствие. Представлено компьютерное приложение, позволяющее проводить быстрый предварительный анализ той или иной конфигурации соплового узла для установок холодного газодинамического напыления. Поставлена задача оптимизации параметров сопла (длина L и толщина h сверхзвуковой части сопла) по скорости частиц в момент удара и получено ее решение для характерных условий холодного газодинамического напыления. Показано, что существуют оптимальные значения L и А, которые в первом приближении линейно зависят от Ppdp, т. е. наблюдается подобие движения частиц разной плотности, если = Const. Рассчитана температура частиц в момент удара отнесенная к температуре торможения газа и показано, что она зависит от размера и плотности частиц и находится в среднем на уровне 0,6−0,8 (для оптимальных сопел). Проведенные исследования позволили перейти к изучению зависимости от скорости частиц процесса газодинамического напыления и высокоскоростного взаимодействия с поверхностью преграды микрочастиц.
Третья глава посвящена исследованию процессов формирования покрытий методом ХГН в зависимости от скорости и концентрации частиц, температуры струи и преграды, а также исследованиям по нанесению покрытий из смеси различных порошковых материалов, в том числе, с возможностью возбуждения высокотемпературного синтеза. Показано, что для исследованных металлических частиц (*/р<50мкм) существует критическая скорость vcr" 500 — 600 м/с взаимодействия их с подложкой. При vp < vCT наблюдается классический процесс эрозии, при vp > vCT он переходит в процесс напыления, т. е. в формирование на поверхности подложки плотного металлического слоя, причем с дальнейшим увеличением скорости характер формирования покрытия резко изменяется. В частности, значение коэффициента напыления для исследованных порошков увеличивается от нуля до 0,4 — 0,8 при vp «1000 м/с. При использовании сверхзвуковой (М = 2,0−3,0) воздушной струи с небольшим подогревом (ЛГ< 400 К) получены покрытия из большинства металлов и многих сплавов (Al, Си, Ni, Zn, Pb, Sn, V, Co, Fe, Ti, бронза, латунь и др.) на различные подложки из металлов и диэлектриков (в частности, стекло, керамику и т. д.). Нагревая струю гелия и тем самым, обеспечивая vp > 1200 м/с, удалось получить покрытия из тугоплавких металлов (Nb, Mo и W). При этом коэффициент напыления порошков может достигать 0,5 — 0,8, что имеет чрезвычайно важное практическое значение при разработке конкретных технологических процессов. При скорости частиц меньше некоторого критического значения можно, увеличивая концентрацию частиц в струе, перейти от процесса эрозии подложки к процессу напыления. При исследовании зависимости процесса напыления от угла натекания показано, что при определенных углах на поверхности покрытия появляется волнистая структура. Проведенные эксперименты показали, что температура подложки также оказывает существенное влияние на закрепление частиц при их напылении. Определены условия формирования покрытий с образованием интерметаллидов при газодинамическом напылении, получены образцы и проведен их рентгено-структурный анализ, подтверждающий возможность синтеза интерметаллидов при газодинамическом напылении. При исследовании процессов нанесения метал-полимерных покрытий методом ХГН показано, что он не вносит ф, существенного увеличения удельного электросопротивления в токопроводящие покрытия по сравнению с исходным. Коэффициент трения такого композита при этом сравним с коэффициентом трения тефлона. Моделирование износа при трении исследованных композитов показало, что определенная в результате моделирования величина минимальной объемной концентрации, которая является достаточной для достижения высоких триботехнических свойств, хорошо согласуется с экспериментальными данными.
В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования высокоскоростного взаимодействия одиночных частиц с преградой и показано, что процесс взаимодействия двухфазной струи с подложкой можно разбить на три области в зависимости от скорости частиц.
Первая — при скорости частиц, меньшей некоторого критического значения уст, характеризуется тем, что при любом, сколь угодно большом времени воздействия двухфазной струи, покрытие не образуется, а наблюдается процесс эрозии.
Вторая — при скорости частиц vcr < v < vCT*. В этой области в зависимости от скорости частиц каждая точка поверхности должна испытать определенное число ударов, необходимое для ее очистки и активации, после чего частицы смогут на ней закрепиться. Очевидно, чем больше скорость частиц, тем меньше предварительных ударов необходимо, и при определенной скорости vp > vcr* они могут закрепиться на «естественной» подложке, т. е. время задержки напыления i = 0. Таким образом, третья область — это область vp > vCT*.
При напылении на движущую подложку в режиме vcr < vp < vcr* существует критическая концентрации частиц, которая обратно пропорциональна толщине струи h, линейно зависит от скорости подложки и, что особенно важно, от диаметра напыляемых частиц.
Представлены результаты экспериментального исследования высокоскоростного (400 — 1200 м/с) взаимодействия сферических алюминиевых частиц с поверхностью, включающие изучение формы частиц с помощью микроскопии и методы статистической обработки большого количества этих данных, зависимость степени деформации частиц от скорости их удара о преграду. Показано, что в исследованном диапазоне рр/рв и Я/Яв, эти параметры не оказывают существенного влияния на степень деформации частиц, а определяющим параметром является ppvp /Яр.
Таким образом, проведенный цикл экспериментальных исследований по высокоскоростному взаимодействию с преградой одиночных частиц, позволил понять основные закономерности газодинамического (да и других методов) напыления. Экспериментальные результаты, представленные в данной главе являются основой при верификации расчетов деформации частиц и моделирования тепловыделения при ударе и адгезионном взаимодействии частицы с подложкой.
В пятой главе представлены результаты моделирования тепловыделения в зоне контакта при пластической деформации при ударе частицы о поверхность преграды. Показано, что влияние толщины зоны тепловыделения на температуру в контакте, особенно для частиц dp< 10 мкм, мало и при анализе тепловой картины в микрочастицах можно принимать, что тепло при ударе выделяется в слое нулевой толщины. Для металлических частиц размером dp < 50 мкм существенны процессы теплопередачи в течение контакта и недопустимо условие адиабатичности, обычно применяемое при математическом моделировании ударного деформирования макротел. Показано, что при скорости, зависящей от размера частицы, в ней может появиться слой расплавленного металла (что косвенно подтверждено результатами исследования напыленных образцов методом дифракции синхротронного излучения), и, следовательно, для анализа распределения температуры в частице необходимо применять модели, учитывающие плавление. Анализ высокоскоростного пристенного течения металла частицы в радиальном направлении показывает, что при ударе металлической микрочастицы о твердую преграду вблизи поверхности может сформироваться и поддерживаться за счет тепловыделения в вязком пограничном слое тонкий слой расплавленного металла толщиной 5<0,015</р, в котором температура близка к температуре плавления металла частицы. Образованием такого слоя можно объяснить и само явление высокой адгезии частиц с подложкой при газодинамическом напылении. Представлена модель адгезионного взаимодействия частицы с преградой при газодинамическом напылении, качественно и количественно показывающая характер зависимости процесса напыления от скорости и размера частиц. Показано, что существует оптимальный (по вероятности закрепления на поверхности преграды) для газодинамического напыления размер частиц. Рассмотрено влияние коллективного взаимодействия падающих частиц с преградой и получено хорошее согласие результатов моделирования с экспериментальными результатами. Показано, что по истечение некоторого времени после начала экспозиции поверхности потоком частиц наступает лавинообразный рост площади запылении при vCT < vp < vCT*, что наблюдается экспериментально.
В шестой главе для анализа области применения газодинамических покрытий и сравнения их свойств со свойствами газопламенных, плазменных и детонационных покрытий, а также для расширения представлений о механизме формирования покрытий, и возможности их практического использования, представлены результаты исследований основных свойств покрытий: микроструктурыадгезионно-когезионной прочности сцеплениямикротвердостипористостиплотностигазопроницаемости и антикоррозионных свойств в соляных и кислых средах. Описаны технологии и установки, использующие метод «холодного» газодинамического напыления (ХГН) и запатентованные в России и за рубежом, в частности, нанесение коррозионно-стойких покрытий на внутреннюю поверхность длинномерных (до 12 м) трубнанесение электропроводных коррозионностойких покрытий на электротехнические изделияустановка газодинамического напыления переносного типа.
Основные результаты и выводы.
1. В результате проведения комплекса исследований созданы научные основы метода холодного газодинамического напыления:
— установлено, что на параметры течения внутри сопла большой длины (L = 20 — 50 К) с прямоугольным сечением сверхзвуковой части, заметное влияние оказывает пограничный слой;
— зарегистрировано, что при определенных расстояниях от среза сопла до преграды наблюдается неустойчивость струи, выражающаяся в возникновении ее поперечных колебаний;
— определена толщина сжатого слоя при натекании струи на преграду;
— измерены распределения по поверхности преграды коэффициента теплообмена, рассчитана температура преграды и показано, что для теплопроводных материалов заметно снижение температуры поверхности в пятне напыления по сравнению с температурой торможения;
— измерены скорости частиц на срезе сопла, проведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных и предложена аппроксимационная зависимость скорости частиц от определяющих параметров задачипредложено компьютерное приложение, позволяющее проводить расчет скорости и температуры частиц при газодинамическом напылении;
— поставлена и решена задача оптимизации параметров сопла (длина и толщина сверхзвуковой части сопла) по скорости удара частиц о преграду;
— получена зависимость степени деформации сферических алюминиевых частиц при высокоскоростном ударе от их кинетической энергии, позволяющая верифицировать результаты моделирования;
— моделированием тепловыделения в зоне контакта показано, что влияние толщины зоны тепловыделения на температуру в контакте, особенно для частиц dp < 10 мкм, мало и можно принимать, что тепло выделяется в слое нулевой толщиныдля металлических частиц размером dp< 50 мкм недопустимо условие адиабатичности, обычно применяемое при моделировании ударного деформирования макротелпри скорости, зависящей от размера частицы, в ней может появиться тонкий слой расплавленного металла и поддерживаться за счет тепловыделения в вязком пограничном слое;
— моделированием адгезионного взаимодействия частицы с преградой показано, что существует оптимальный для газодинамического напыления размер частиц (по вероятности закрепления на поверхности преграды);
— предложена модель, учитывающая зависимость процесса напыления от коллективного взаимодействия частиц с преградой.
2. Найдены режимы напыления из механической смеси мелкодисперсных порошков, позволяющие проводить синтез интерметаллидов на напыляемой поверхности непосредственно в процессе напыления.
3. Получены метал-полимерные (Си + тефлон) покрытия, имеющие электропроводность близкую к электропроводности меди и коэффициент трения, сравнимый с коэффициентом трения тефлона. Проведено моделирование износа при трении исследованных композитов, результаты которого согласуется с экспериментальными данными.
4. Разработаны оборудование и технологии нанесения электропроводных коррозионностойких покрытий на электротехнические изделия и антикоррозионных покрытий на внутреннюю поверхность длинномерных трубпереносная (ручная) установка для нанесения порошковых покрытий методом ХГН, обеспечивающая нанесение покрытий на открытых площадках, для проведения ремонтных и восстановительных работ и т. д.
Обобщенные результаты данной работы позволяют рассматривать их как новое научное направление в механике жидкости, газа и плазмы: формирование покрытий из микрочастиц методом холодного газодинамического напыления.
В заключение автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность чл. корр. РАН В. М. Фомину за всестороннюю поддержку данного направления, д. ф. — м. н., профессору А. Н. Папырину, к.ф.-м.н. |Н.И. Нестеровичу|, д.т.н. А. П. Алхимову, и к.ф.-м.н. С. В. Клинкову, в тесном и плодотворном сотрудничестве с которыми была создана экспериментальная база, выбраны направления и методики исследований, получен ряд важных научных результатов.
Автор благодарен всем сотрудникам лаборатории «Физики многофазных сред» за помощь в проведении экспериментов, полезные обсуждения и замечания.
Н.И. Нестеровичу.
19 Максимович Г. Г., Шатинский В. Ф., Копылов В. И. Физико-химические процессы при плазменном напылении и разрушении материалов с покрытиями. Киев, Наукова думка, 1983, 264 с.
20 Самсонов Г. В., Эпик А. П. Тугоплавкие покрытия М., Металлургия, 1973, 400 с.
21 Борисов Ю. С., Борисова A.JI. Плазменные порошковые покрытия. Киев, Техника, 1986, 222 с.
22 Получение покрытий высокотемпературным распылением. Сб. статей, под ред. Дружинина JI.K. и Кудинова В. В., Атомиздат, 1973, 312 с.
23 Кудинов В. В. Нанесение покрытий распылением. Сб. «Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов». М., Наука, 1973,158 с.
24 Новые методы нанесения покрытий напылением. Тез. докл. и сообщений Всесоюзного научно-технического совещания. Ворошиловградский машиностроительный институт, 1976, 180 с.
25 Шоршоров М. Х., Кудинов В. В., Харламов Ю. А. Состояние и перспективы развития нанесения покрытий распылением. ФХОМ, 1977, № 5, с. 13 — 24.
26 Самсонов Г. В., Борисов A.JI. Состояние и перспективы использования защитных покрытий в народном хозяйстве. Защитные покрытия на металлах. Киев, 1977, вып. 11, с. 3 — 13.
27 A.R.Nicoll, A. Bachmann, J.R.Moens and G.Loewe. The Application of High Velocity Combustion Spraying // Proc. of the International Thermal Spray Conference & Exposition, Orlando, Florida, USA, 28 May- 5 June, 1992, p. 811 -816.
28 Swank N.D., Finke J.R., Haggard D.C., Irons G., Bullock R. HVOF particle flow field characteristics // Proc. of the 7th National Spray Conferens. Boston. Massachusetts, 20−24 june, 1994. Boston, 1994.
29 Swank N.D., Finke J.R., Haggard D.C., Irons G. HVOF gas flow field Ш characteristics // Proc. of the 7th National Spray Conferens. Boston.
Massachusetts, 20−24 june, 1994. Boston, 1994.
30 Knight R., Smith R.W., Xiao Z., Hoffman T.T. Particle velocity measurements in HVOF and APS systems // Proc. of the 7th National Spray Conferens. Boston. Massachusetts, 20−24 june, 1994, — Boston, 1994.
31 Irons G. Higher velocity thermal spray processes produce better aircraft engine coatings // 28th Annual Aerospace/Airline Plating & Metal Finishing Forum & Exposition, San Diego, California, April 20−23,1992. — San Diego, 1992.
32 Thorpe M.L., Richter H.J. A pragmatic analysis and comparison of the HVOF process // Proc. of the International Thermal Spray Conference & Exposition, Orlando, Florida, USA, 28 may- 5 june, 1992. — Orlando, 1992.
