Исследование процессов ускорения и взаимодействия частиц с преградой в условиях газодинамического напыления

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.

Основное число публикаций по этому вопросу посвящено процессам взаимодействия с преградой высокотемпературных газопорошковых струй (газ + расплавленные частицы), используемых в технологиях плазменного (Жуков М.Ф., Солоненко О. П., Кудинов В. В. и др.), газопламенного (M.F. Smith, M.L. Thorpe и др.), детонационного (Гавриленко Т.П., Уль-яницкий В.Ю., Шоршоров М. Х., Харламов Ю. А. и др.) напыления и т. д.

В данной работе представлены результаты исследования взаимодействия с поверхностью низкотемпературных газопорошковых струй (газ + твердые частицы), проводимого с целью дальнейшего развития научных основ метода холодного газодинамического напыления (ХГН) и разработки на его основе новых технологий.

В ранее проведенных исследованиях (Алхимов А.П., Косарев В. Ф., Нестерович Н. И., Папырин А.Н.) была показана возможность соединения с подложкой мелких частиц в твердом состоянии, выявлены некоторые особенности их ударного взаимодействия с преградой, определены условия формирования покрытий для ряда порошковых материалов, позволяющие разрабатывать физические и математические модели.

Однако практика использования метода ХГН поставила ряд проблем и привела к необходимости детального исследования основных физических процессов, ответственных за конечные свойства получаемых материалов и покрытий. Таким образом, возникли задачи по определению связи параметров взаимодействующих объектов с характеристиками, получаемых в результате этого материалов и покрытий.

Вопросы ускорения мелкодисперсных частиц в плоских сверхзвуковых соплах представляют значительный интерес применительно к процессу «холодного» газодинамического напыления (ХГН), и важны как с практической, так и с научной точки зрения. В связи с этим задача научного исследования основ метода ХГН является актуальной. Опыт работ по ХГН показывает, что наиболее важную роль в процессе нанесения покрытий этим способом играет скорость взаимодействия частиц с подложкой. Данные вопросы являются важными применительно к задаче оптимизации процесса ускорения частиц в плоских сверхзвуковых соплах и оптимизации на этой основе технологического процесса напыления.

Постановка задачи, таким образом, включает в себя проведение исследований оптимизации параметров сопла по скорости частиц в момент удара, процессов формирования тонких широких струй, натекания их на преграду и взаимодействия двухфазного потока с преградой.

Предварительный анализ задачи показывает, что влияние толщины и длины сопла оказывает противоположные воздействия. Так, увеличение длины сопла благотворно сказывается на ускорении частиц, то есть, чем больше длина сопла, тем ближе скорость частиц к скорости газа. Однако одновременно увеличивается толщина пограничного слоя на стенках сопла, что приводит к снижению скорости газа, а, следовательно, и скорости частиц. Увеличение длины сопла может привести к невозможности достижения сверхзвуковой скорости. Аналогичное поведение можно видеть при изменении толщины сопла. Так, с ростом толщины ослабляется влияние пограничного слоя, нарастающего на стенках сопла, но увеличивается толщина ударного сжатого слоя, возникающего перед преградой при натекании на нее сверхзвуковой струи. Следовательно, должны существовать некоторые оптимальные значения отмеченных параметров сопла, когда скорость частицы в момент удара будет максимально возможной. Поиск этих параметров назовем задачей оптимизации по скорости частицы в момент удара.

Данная работа является пионерской, поскольку впервые ставиться задача оптимизации по скорости частиц в момент удара с учетом движения газа и частиц от форкамеры до поверхности, захватывающего участки движения в свободной струе и в ударном сжатом слое.

Предварительно проведенный обзор литературы показал, что прямых экспериментальных или расчетных данных, соответствующих характерным для поставленной задачи параметрам сопла и формируемого двухфазного потока в условиях холодного газодинамического напыления, нет. Однако имеются данные общего характера и методики расчета применительно к отдельно взятым участкам газодинамического тракта движения газа и частиц. Следует отметить, что значительная часть теоретических расчетов довольно сложна сама по себе, поэтому использование их для решения поставленной комплексной задачи представляет значительные трудности. Кроме того, теоретические расчеты требуют привязки к эксперименту, поскольку точность их, как правило, низкая. В этих условиях требовалось провести экспериментальные исследования конкретно изучаемых течений и предложить ряд методик расчета, которые позволили бы получить достаточно надежные результаты в течение короткого промежутка времени. Эти условия и определили порядок выполнения работы: получение экспериментальных данных, адаптация выбранной методики расчета к условиям задачи и сравнение полученных экспериментальным и расчетным путем данных друг с другом на каждом последовательном этапе.

Логично поставленную задачу разбить на участки движения газа и частиц внутри сопла указанной формы, в области свободной струи и в ударном сжатом слое. Соответственно, требовалось изучить экспериментально и предложить какуюлибо математическую модель движения газа и частиц в этих областях. Оценки показывают, что в условиях газодинамичеу? ского напыления характерными являются объемные концентрации частиц -10 -10 .В этих условиях, как было показано в работах Яненко H.H., Фомина В. М., Киселева С. П. и др., возможно пренебрежение влиянием частиц на параметры газового потока и, в таком случае, достаточно хорошим приближением является модель движения одиночных частиц, которое реализуется при малых объемных концентрациях (вплоть до 0,1%). В связи с этим просматривается двухэтапная схема решения общей задачи: на первом этапе — определение поля течения газа, на втором этапе — вычисление параметров движения частицы по известным параметрам газового течения.

Общеизвестен интерес к процессам взаимодействия частиц с поверхностью преграды, но в связи с чрезвычайно большим разнообразием процессов, происходящих при ударе частиц, эта тема далеко не исчерпана, все механизмы этого явления до сих пор не вскрыты. Изучение условий закрепления частицы на поверхности является ключевой задачей, решение которой позволяет понять механизмы образования покрытий. Результаты, полученные при решении задачи оптимизации, позволят сделать этот следующий шаг, а именно, исследовать зависимость степени деформации закрепившейся частицы от ее скорости в момент удара.

Накопленный научный материал указывает на немаловажную роль температуры частиц и поверхности в процессе их взаимодействия. Поэтому важно развивать метод газодинамического напыления, в том числе, и в сторону освоения более высоких температур. В ранних работах по ХГН изучалось в основном влияние скорости частиц, а такие вопросы, как влияние температуры поверхности, возможность протекания химических реакций при адгезионном взаимодействии частиц с поверхностью, оставались в стороне. Чтобы восполнить существующий пробел, была проведена серия экспериментов, направленных на получение ответов на поставленные вопросы. В ходе экспериментов выяснилась необходимость изучения теплообмена между двухфазной струей и поверхностью с целью определения ее температуры в окрестности пятна напыления. Таким образом, поставленная в работе задача оптимизации, решенная с помощью адаптированной к условиям газодинамического напыления модели движения газа и частиц, позволяет получить также ряд других закономерностей, связанных с высокоскоростным адгезионным взаимодействием твердых частиц с поверхностью преграды, чем способствует дальнейшему развитию метода газодинамического напыления и получению покрытий с новыми свойствами.

Цель работы состояла в исследовании движения газа и частиц в сверхзвуковом сопле большого удлинения прямоугольного сечения, исследовании движения в области свободной струи, изучении процессов протекающих в зоне контакта двухфазного потока с поверхностью преграды.

Диссертация выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ИТПМ СО РАН по теме: «Исследование физических процессов в двухфазных потоках смеси газа с частицами» (шифр 01.09.20.001606), по внутриинститутскому проекту «Исследование сверхвысокоскоростного деформирования и соединения мелких металлических частиц с преградой при их соударении со скоростью -1000 м/с» .

Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:

Поставлена задача оптимизации параметров сопла большого удлинения, прямоугольного сечения по скорости частиц в момент удара с учетом движения в свободной струе и ударном сжатом слое, возникающем при натекании сверхзвуковой струи на преграду, и получено решение этой задачи для наиболее характерных условий, реализуемых при получении покрытий методом холодного газодинамического напыления.

Экспериментально определена зависимость степени деформации алюминиевых частиц размером 10−30 мкм при закреплении на поверхности преграды от их скорости в диапазоне 500−1000 м/с.

Показано, что в условиях газодинамического напыления при нагреве преграды снижается критическая скорость перехода к адгезионному взаимодействию частица — преграда и получены кривые зависимости толщины покрытия от температуры поверхности и температуры торможения газа.

Проведено экспериментальное исследование возбуждения реакций синтеза при газодинамическом напылении. Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, позволяющая получать сверхзвуковые двухфазные потоки с температурой торможения, обеспечивающей реакции синтеза интерметаллидов. Получены покрытия из смеси мелкодисперсных порошков никеля и алюминия с содержанием моноалюминидов никеля в режиме газодинамического напыления. Определены условия формирования и проведен анализ полученных покрытий, подтверждающий возможность возбуждения реакций синтеза.

Достоверность полученных результатов обоснована использованием известных и хорошо апробированных методов измерения с помощью трубки Пито, термопарного зонда, анализом ошибок метода трековой визуализации, калориметрического метода регулярного режима нагрева, сопоставлением полученных экспериментальных и расчетных данных и данных, известных из литературы.

Научная и практическая ценность работы обусловлена перспективностью использования метода холодного газодинамического напыления в промышленности. Результаты исследования процессов взаимодействия сверхзвукового двухфазного потока с преградой создают основу для построения и совершенствования физических и математических моделей этих процессов, для проектирования и создания новых промышленных и экспериментальных установок нанесения покрытий и получения новых материалов.

На защиту выносятся следующие результаты:

— разработка и создание экспериментальных установок для изучения взаимодействия двухфазных потоков газ — твердые частицы с преградой;

— измерение профилей и продольных распределений параметров газовых струй, истекающих из сопел большого удлинения прямоугольного сечения, включая изучение влияния значительных пограничных слоев на стенках сопла и изучение динамики и теплообмена при натекании на плоскую преграду;

— определение оптимальных размеров сопла, используемого при ХГН, для получения максимально возможных скоростей твердых частиц в момент удара;

— исследование деформации твердых частиц при ударе и закреплении на поверхности преграды при скоростях 500−1000 м/с, в частности, нахождение зависимости степени деформации частиц от их скорости и твердости материала преграды;

— изучение взаимодействия сверхзвуковой двухфазной струи газ — твердые частицы с нагретой поверхностью, включая обнаруженный эффект уменьшения критической скорости перехода к напылению в условиях ХГН и определение кривых роста толщины покрытия при увеличении температуры поверхности;

— изучение возбуждения реакций синтеза интерметаллидов при газодинамическом напылении, включая, определение условий синтеза и анализ полученных покрытий рентгеност-руктурным и металлографическим методами.

Личный вклад. При участии автора созданы экспериментальные установки для исследования процесса газодинамического напыления. Проведены измерения параметров струйных течений и процессов высокоскоростного адгезионного взаимодействия частиц с преградой, получены оптимальные параметры сопел, используемых при холодном газодинамическом напылении.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на всероссийских и международных конференциях: на XVI Всероссийском семинаре «Струйные и нестационарные течения в газовой динамике» (Новосибирск, 1995), на 3 Международном рабочем совещании «Генераторы термической плазмы и технологии» (Новосибирск, 1997), на 9 Международной конференции «1СМАЯ-98» (Новосибирск, 1998), на 5 Международной конференции «Пленки и покрытия» (Санкт-Петербург, 1998), на семинаре «Теоретическая и прикладная механика» (Новосибирск, ИТПМ, 1998).

Публикации. Результаты диссертации представлены в 7 публикациях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, содержит 138 страниц, 73 рисунков, 12 таблиц и список литературы из 91 наименования.

Заключение

.

1. Проведен литературный обзор, позволивший выделить основные управляющие параметры процесса протекания реакций синтеза между реакционно-активными порошками.

2. Проведена оценка степени разработанности данного вопроса на текущий момент и показана перспективность использования методов получения покрытий с возможностью возбуждения реакций синтеза при напылении газотермическими и газодинамическим методами.

3. Спроектирована и создана экспериментальная установка, позволяющая получать покрытия с возможностью возбуждения реакций синтеза моноалюминида никеля из смеси мелкодисперсных порошков никеля и алюминия в режиме газодинамического напыления.

4. Определены условия формирования покрытий с содержанием интерметаллидов при газодинамическом напылении, получены образцы и проведен их рентгеноструктурный анализ, подтверждающий возможность синтеза интерметаллидов при газодинамическом напылении.

Результаты и выводы.

1 .Используя методику учета нарастания пограничных слоев на стенках сверхзвукового сопла прямоугольного сечения, формирующего тонкие плоские двухфазные струи, рассчитаны значения параметров газа и частиц и показано их хорошее согласие с экспериментально полученными значениями.

2. Проведено экспериментальное изучение струй (свободных и натекающих на преграду), истекающих из сверхзвуковых сопел большого удлинения прямоугольного сечения. Показано, что наличие значительных пограничных слоев приводит к более быстрому снижению осевых значений параметров струи. Найдено значение величины отхода ударной волны от преграды, получены распределения температуры торможения и коэффициента теплопередачи вдоль поверхности и определена ее температура.

3. Используя полученные в работе экспериментальные результаты, определены оптимальные параметры сверхзвукового сопла прямоугольного сечения, когда частица достигает максимальной скорости в момент удара в условиях газодинамического напыления.

4. Проведены экспериментальные исследования деформации частиц в твердом состоянии (на примере частиц алюминия) при ударе о поверхность и их закреплении при скоростях 500−1000 м/с и впервые получена зависимость степени деформации частиц от их скорости.

5. Проведено экспериментальное моделирование формирования покрытия методом ХГН на поверхности нагретой до высоких температур (до 1200К) преграды. Впервые получены кривые зависимости толщины покрытия от температуры поверхности и температуры торможения газа в условиях газодинамического напыления. Впервые показана возможность возбуждения реакций синтеза при газодинамическом напылении. Разработаны узлы экспериментальной установки, получены покрытия из смеси порошков А1 и № и проведен их рентгеноструктурный анализ, который показал наличие фазы моноалюминидов никеля в покрытии.

Список условных обозначений.

Общий список Латинские символы, а — скорость звука. а, к — критическая скорость газа.

Ъ — высота критического сечения сопла.

Ср — теплоемкость газа. ао — скорость звука в заторможенном газе.

— О — диаметр в плане закрепившейся частицы. с1р — диаметр частицы.

Б — массовый расход газа.

Н — твердость материала частицы.

Ну, — твердость материала преграды. к — значение меньшего поперечного размера сопла на срезе. Н — значение большего поперечного размера сопла на срезе.

Ип — толщина покрытия. р — высота закрепившейся частицы. ку, — толщина пластинки. к *, Н* - толщина и ширина струи на срезе сопла. / - энтальпия торможения газа 1=срТо 1а — энтальпия газа в окружающей среде, /г 1 — волновой вектор, /г — показатель адиабаты.

Ьс — длина периодической структуры слабонерасчетной струи. Ь — длина сверхзвуковой части сопла. М — число Маха. Мт — число Маха на оси струи.

М^*- экспериментальное значение числа Маха на срезе сопла. М (7 — число Маха соответствующее истечению идеального газа.

— 127 —.

М^*- Расчетное значение числа Маха на срезе сопла.

М* - число Маха на срезе сопла на оси сечения. М = Мот / М * - относительное число Маха.

N11 = а/г*/X — число Нуссельта.

Ыи (0) — значение числа Нуссельта в критической точке на поверхности преграды. N11* = ах/Х — число Нуссельта. п — степень нерасчетности, определяемый как отношение статического давления на срезе к давлению в окружающей среде, п = р*/ра р — давление газа. ра — давление в окружающей среде. р* — давление в струе на срезе сопла.

Рк — значение критического давления за прямой ударной волной. рзт — давление на поверхности преграды на оси натекающей струи. р5 — давление на поверхности преграды. ро — давление торможения. роо — давление торможения в форкамере сопла. о' давление торможения за прямой ударной волной.

Рг = срц/Х — молекулярное число Прандтля.

Рг, — турбулентное число Прандтля. q — тепловой поток на единицу площади за единицу времени.

Яе = ро^*/2*/Цо — число Рейнольдса.

Яе* = ру*х/|1- число Рейнольдса.

Ке^= РоР/г* /|Ыо — число Рейнольдса.

— среднеквадратичное отклонение.

Бе — бс1/И °'5, Ы— число реализаций.

— площадь поперечного сечения струи на срезе сопла. 5*0,5 — площадь струи построенная по полупиковым размерам: ?0,5 = 4⁰, 5⁰, 5 Для струи прямоугольного сечения,.

5 0,5 = лхо, 5. Уо, 5 для струи эллиптического сечения, площадь поперечного сечения струи. Б = Б / Б * - относительная поперечная площадь струи.

— звуковая площадь струи: площадь сечения струи там, где на оси струи достигается скорость звука. а.

М =—число Стэнтона.

То — температура торможения газа. То* - температура торможения на срезе сопла. Тот — температура торможения на оси струи. Тг — температура восстановления.

Ттемпература газа.

Тт — значение температуры на внешней границе пристенного пограничного слоя. Тт — температура плавления.

— температура стенки преграды. Т* - значение температуры на срезе сопла. Та, Тса — значение температуры в окружающей среде. Ту, о — температура на поверхности теплоизолированной преграды. и — составляющая скорости газа вдоль поверхности по координате х. и* - значение максимальной скорости газа достижимой в точке х*. ит — скорость газа на внешней границе пристенного пограничного слоя формирующегося на преграде. В случае пристенной струи она является максимальной скоростью по сечению струи.

V — скорость газа вдоль координаты г. ьт — значение скорости газа на оси натекающей струи, г^ - скорость натекающего потока до ударной волны.

Т)р — скорость частицы по продольной координате 2.

V = V / 1) т — относительная скорость.

X — поперечная координата струи в направлении малого поперечного размера.

Хо, 5 — координата точки, в которой значение параметра в два раза ниже, чем на оси, т. е. при х = 0, носит название полупиковая координата.

2 (т 2.

Хо-5 — координата, где М IХ0 5 I = 0,5Мт.

Х ()^Ткоордината, где Л! Г0 1 = 0,5АТ^т. у — поперечная координата струи в направлении большого поперечного размера. т.

У0,5? У0,5 — координаты аналогичные х.

— формальная переменная интегрирования. 2 — продольная координата. г*- дистанция от среза сопла до преграды. т.

•^0,5? 2о, 5 ~ координаты аналогичные х.

Греческие символы, а а =—коэффициент теплопередачи.

То ~.

Р = &и/<�х (0)) — значение градиента скорости в критической точке. 5 — толщина пограничного слоя в сопле.

51 — толщина пограничного слоя на начальном участке струи в области ядра. Этим же символом обозначается полутолщина струи на участке за ядром вниз по потоку.

82 — толщина струйного пограничного слоя в пристенной струе. 51) — динамическая толщина струи определяемая по скорости.

8 т — толщина пристенного пограничного слоя.

5 т — тепловая толщина струи определяемая по температуре торможения.

АТ0 =То~ Таизбыточная температура торможения.

АТ ()т =Тот — Та — избыточная температура торможения на оси струи.

ДГ0 = Г0 — Тт — избыточная температура торможения. АГ0 * = Г0 *~Та — избыточная температура торможения на срезе сопла.

— степень турбулентности, определяемая по давлению, скорости или массовой скорости. 8 — степень деформации частицы.

С, — координата, отсчитываемая от поверхности в направлении перпендикуляра к плоскости преграды.

С,* - значение координаты, дальше которого влияние преграды на падающий поток не распространяется. Для случая натекания сверхзвуковой струи совпадает с величиной отхода скачка уплотнения от поверхности. Г) = х/51 — безразмерная координата поперек струи.

A-w — теплопроводность материала преграды.

Ll — динамическая вязкость.

Xt — турбулентная вязкость, коэффициент турбулентного обмена. fio — значение вязкости в точке торможения на теплоизолированной преграде.

V — кинематическая вязкость. р — плотность газа. рр — плотность материала частиц. pw — плотность материала преграды.

Ро — значение плотности в точке торможения на теплоизолированной преграде. 0) — частота.