Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И СКОРОСТИ ЧАСТИЦ КОНДЕНСИРОВАННОЙ ФАЗЫ В ПРОЦЕССЕ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОГО НАПЫЛЕНИЯ

Бороненко М.П. 1 Гуляев И.П. 2 Гуляев П.Ю. 1 Демьянов А.И. 3 Долматов А.В. 1 Иордан В.И. 4 Коржик В.Н. 3 Кривцун И.В. 3 Харламов М.Ю. 3
1 Югорский государственный университет
2 Институт прикладной и теоретической механики им. С.А. Христиановича СО РАН
3 Институт электросварки им. Е.О. Патона НАНУ
4 Алтайский государственный университет
Рассмотрены физические принципы работы и конструкция устройств плазменно-дугового напыления. Отмечается преимущество дуговой технологии для формирования металлизационной струи, заключающееся в отсутствии одного из самых ненадежных узлов газотермических установок напыления – порошкового дозатора. Обсуждается ряд новых нерешенных вопросов физического механизма дробления расплава электрода под действием интенсивного потока газовой плазмы. Сформулированы особенности образования частиц конденсированной фазы во внешней электрической дуге плазмотрона. Приведена математическая модель нагрева и переноса частиц в плазме. Продемонстрированы методы определения скорости и температуры частиц в плазменном потоке с помощью высокоскоростной видеокамеры с микроканальным фотоумножителем и наносекундным электрооптическим затвором. Сопоставление скорости и температуры одиночных частиц с теоретической моделью показало хорошее соответствие расчетов с экспериментальными данными.
плазма
электрическая дуга
напыление
температура
скорость
измерение
1. Бороненко М.П., Гуляев И.П., Серегин А.Е. Модель движения и нагрева частиц в плазменной струе // Вестник Югорского государственного университета. – 2012. – № 2. – С. 7–15.
2. Виновский критерий выбора параметров редукции температурного распределения частиц по их суммарному тепловому спектру / П.Ю. Гуляев, В.И. Иордан, И.П. Гуляев, А.А. Соловьев // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2008. – Т. 51. – № 9–3. – С. 69–76.
3. Гуляев И.П., Гуляев П.Ю., Иордан В.И. Разрешающая способность виртуальных приборов контроля температуры частиц в плазменных потоках по суммарному спектру // Ползуновский альманах. – 2008. – № 2. – С. 13–14.
4. Гуляев П.Ю., Гуляев И.П. Моделирование технологических процессов плазменного напыления покрытий наноразмерной толщины // Системы управления и информационные технологии. – 2009. – № 1.1(35). – С. 144–148.
5. Гуляев П.Ю., Долматов А.В. Автоматизация контроля теплофизических параметров в технологиях детонационного напыления // Системы управления и информационные технологии. – 2009. – № 1.2 (35). – С. 230–233.
6. Гуляев П.Ю., Долматов А.В. Физические принципы диагностики в технологиях плазменного напыления // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2009. – Т. 11. – № 5–2. – С. 382–385.
7. Методы оптической диагностики частиц в высокотемпературных потоках / П.Ю. Гуляев, А.В. Долматов, В.А. Попов, Г.Н. Леонов // Ползуновский вестник. – 2012. – № 2/1. – С. 4–7.
8. Нагрев и плавление проволоки-анода при плазменно-дуговом напылении / М.Ю. Харламов, И.В. Кривцун, В.Н. Коржик, С.В. Петров // Автоматическая сварка. – 2011. – № 5. – С. 5–11.
9. Новая технология «плазеp» реновации деталей для железных дорог / В.Н. Коpжик, И.В. Кpивцун, С.В. Петpов, М.Ю. Хаpламов // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2009. – № 1. – С. 20–22.
10. Об уточнении математической модели электрической дуги в плазмотроне с внешней токоведущей проволокой / М.Ю. Харламов, И.В. Кривцун, В.Н. Коржик, С.В. Петров, А.И. Демьянов // Автоматическая сварка. – 2009. – № 1. – С. 53–56.
11. Формирование пленки жидкого металла на торце проволоки-анода при плазменно-дуговом напылении / М.Ю. Харламов, И.В. Кривцун, В.Н. Коржик, С.В. Петров // Автоматическая сварка. – 2011. – № 12. – С. 3–8.
12. Экспериментальное исследование характеристик топливных струй дизельных форсунок / А.Е. Свистула, Д.Д. Матиевский, П.Ю. Гуляев, А.В. Еськов // Двигателестроение. – 1999. –№ 1. – С. 29–31.
13. Gulyaev I.P. Production and modification of hollow powders in plasma under controlled pressure // Journal of Physics: Conference Series. – 2013. – Vol. 441. – № 1. – P. 012033. doi:10.1088/1742-6596/441/1/012033
14. Gulyaev I.P., Solonenko O.P. Hollow droplets impacting onto a solid surface // Experiments in Fluids. – 2013. – Vol. 54. – № 1. – P. 1–12.
15. Hydrodynamic features of the impact of a hollow spherical drop on a flat surface / Gulyaev I.P., Solonenko O.P., Gulyaev P.Y., Smirnov A.V. // Technical Physics Letters. – 2009. – Т. 35. – № 10. – P. 885–888

Получение защитных и упрочняющих покрытий с заранее заданными и воспроизводимыми характеристиками любым из газотермических методов напыления может быть обеспечено только при постоянном контроле ключевых физических параметров – КФП, таких как скорость и температура частиц в напылительной струе [7]. Традиционный механизм ввода порошка в плазменную струю с помощью транспортирующего газа существенно меняет энтальпию и ламинарность потока, что определяет актуальность разработки высокостабильных проволочных дозаторов [11], обеспечивающих генерацию или инжекцию [14] частиц конденсированной фазы в широком диапазоне объемных концентраций. И если вопросам диагностики параметров двухфазных потоков в процессах порошкового напыления [5] уделяется достаточно много внимания, то явление распыления проволочных материалов все еще остается малоизученным [6]. Вместе с тем появляются новые перспективные способы напыления, использующие в качестве исходного материала для формирования покрытий прутки и проволоки. Примером такого способа может быть плазменно-дуговое напыление покрытий, при котором распыляется токоведущая проволока-анод, постоянно подаваемая в плазменную дугу за срезом сопла плазмотрона. В свою очередь, совершенствование конструкций плазмотронов с проволокой-анодом, а также повышение качества формируемых покрытий, неотрывно связано с развитием методов контроля параметров напыляемых частиц в плазменном потоке, а также экспериментальными измерениями их тепловых и динамических характеристик.

Экспериментальный комплекс плазменно-дугового напыления

Метод плазменно-дугового проволочного напыления является дальнейшим развитием методов [10, 15], использующих электрическую дугу в качестве источника энергии, и он основан на синтезе известных методов плазменного и электродугового напыления [1].

Сущность метода плазменно-дугового напыления заключается в следующем. Дуга постоянного тока горит между тугоплавким водоохлаждаемым катодом и плавящейся токоведущей проволокой, подаваемой за срезом двойного сопла плазмотрона (рис. 1).

Поступающий через сопло рабочий (плазмообразующий) газ нагревается электрической дугой и истекает из сопла в виде плазменной струи. Открытый участок разряда, вне формирующего плазму канала, обдувается потоком защитного газа или воздуха, истекающего из кольцевого зазора между соплами плазмотрона.

pic_9.tif

Рис. 1. Схема процесса плазменно-дугового проволочного напыления

В итоге плазменно-дуговое проволочное напыление от традиционного процесса плазменного напыления отличается, прежде всего, наличием расходуемой токопроводящей проволоки, являющейся анодом плазменной дуги, а также существованием открытого участка столба дуги. Плавление проволоки при этом осуществляется как за счет энергии, выделяющейся в анодном пятне дуги, и протекания по проволоке электрического тока, так и за счет энергии, вводимой в проволоку при обтекании ее плазменной струей. В результате эффективность процесса плавления проволоки существенно возрастает по сравнению, например, с процессом электродуговой металлизации. На рис. 2 приведены внешний вид плазмотрона установки для плазменно-дугового напыления в режиме горения дежурной дуги, а также в процессе распыления порошковой проволоки.

а pic_10.tif б pic_11.tif

Рис. 2. Внешний вид плазмотрона установки для плазменно-дугового напыления: а – в режиме горения дежурной дуги; б – в процессе распыления порошковой проволоки

К особенностям процесса плазменно-дугового напыления также следует отнести то, что плавление и струйное течение материала проволоки происходит в защитной атмосфере плазмообразующего газа (как правило, аргона), а дробление расплава и разгон дисперсных частиц происходит в плазменной струе, обжатой спутным потоком воздуха. Это обеспечивает минимальные потери на испарение материала проволоки, минимальное его насыщение кислородом и азотом воздуха, получение оптимального фракционного состава дисперсной фазы, достижение частицами напыляемого материала околозвуковой скорости в момент встречи с основой, получение наиболее высокой объемной концентрации напыляемых частиц и минимального угла раскрытия двухфазного потока, составляющего несколько градусов. Эти обстоятельства создают предпосылки для вывода получаемых таким способом покрытий на современный конкурентоспособный уровень.

Процесс плазменно-дугового напыления покрытий с токоведущей самораспыляющейся проволокой реализуется на установке PLAZER 30-PL-W, предназначенной для нанесения износостойких, коррозионностойких и специальных покрытий, восстановления изношенных деталей машин путем напыления электропроводящих материалов, изготовленных в виде порошковых и компактных проволок диаметром 1,6–1,8 мм. Толщина наносимых покрытий – 0,05–5 мм (и более). В качестве рабочих газов применяются сжатый воздух и аргон. Проведенные лабораторные исследования полученных плазменно-дуговых покрытий показали, что метод обеспечивает формирование покрытий с повышенными плотностью (пористость 0,5–2,5 %), прочностью сцепления с основой (не менее 50 МПа при нормальном отрыве), когезионной прочностью, а также предотвращение выгорания легирующих элементов в процессе напыления покрытия.

Математическая модель движения и нагрева частиц в плазме

В задачах термической обработки и напыления материалов важнейшее значение имеет поведение частиц размером 20–100 мкм в начальный период их пребывания в струе. При определенных упрощениях в анализе процесса удается получить аналитические выражения для скорости и температуры таких частиц. В основу теоретической модели движения и нагрева макроскопических частиц в потоке плазмы взяты классические положения тепломассопереноса в гетерогенных плазменных потоках, которые в каждом конкретном случае могут быть применены с учетом поправок на процессы плавления, сублимации и конвективного перемешивания и образования газовых полостей в веществе расплавленных частиц [4, 9, 14].

Рассмотрим одномерное движение одиночной сферической частицы диаметром Dp, которая была помещена в равномерный плазменный поток со скоростью Uf и температурой Tf. В начальный момент времени t = 0 скорость частицы равна нулю, а температура – начальному значению Tp0. Будем считать, что температура сферы в каждый момент времени равномерна по объему (число Био Bi << 1), радиационными потерями пренебрегаем. Тогда изменение скорости Up и температуры Tp частицы определяется уравнениями:

Eqn6.wmf (1)

Eqn7.wmf (2)

В приведенных выше обозначениях cm – теплоемкость материала частицы; mp – ее масса; ρf – плотность газа (плазмы) при температуре Tf. Коэффициент лобового газодинамического сопротивления сферы Cd и коэффициент теплоотдачи α вычисляются по эмпирическим зависимостям, которые в основном получены при исследовании обтекания тел низкотемпературными потоками.

Можно показать [1], что в случае однородного плазменного потока (Uf = const и Tf = const) решением уравнений (1, 2) являются экспоненциальные зависимости следующего вида:

Eqn8.wmf (3)

Eqn9.wmf (4)

При этом в расчетах известными параметрами в уравнениях (1) и (2) считаются mp, Cd, ρf, Tp0 и Dp, а экспериментальному определению с помощью скоростной видеосъемки поддаются динамические параметры уравнений (3) и (4) – постоянные времени ускорения Eqn10.wmf и нагрева и Eqn11.wmf. Эти постоянные имеют физический смысл интервала времени, которое понадобилось частице, чтобы достичь скорости (температуры) плазмы, если бы она двигалась с начальным ускорением (нагревалась с начальной интенсивностью). Отметим, что в рамках данной модели также возможна постановка и корректное решение обратной задачи, т.е. оценка значений температуры и скорости плазмы по результатам высокоскоростной регистрации динамики нагрева и ускорения калиброванных частиц с известными теплофизическими свойствами. Применение для этих целей безынерционных (в динамическом и тепловом смысле) частиц нанометрового размера, которые часто используются для диагностики пламен, невозможно в связи с высокой температурой плазменного потока, обусловливающей практически мгновенное испарение или сублимацию материала.

Методика определения температуры и скорости отдельных частиц

Экспериментальная методика регистрации треков самосветящихся нагретых частиц в плазме основана на применении специализированных высокоскоростных видеокамер с параллельным считыванием сигнала [4, 12]. Примеры регистрации треков представлены на рис. 3 и 4.

pic_12.tif

Рис. 3. Регистрация потока нагретых частиц в режиме мультиэкспозиции

pic_13.tif

Рис. 4. Стробоскопическая регистрация трека отдельной частицы в потоке низкотемпературной плазмы

Для повышения точности измерения времяпролетных данных о движении частиц применялся оптический затвор с наносекундным быстродействием «NanoGate», а для увеличения чувствительности при малых временах экспозиции использовался фотоумножитель на микроканальных пластинах.

В режиме m-кратной экспозиции (мультиэкспозиции) с заданным интервалом тепловое излучение летящей частицы фиксируется на одном кадре m раз. Это позволяет провести детальный анализ не только динамического параметра ускорения движения τD, но и нагрева τT. На рис. 5 и 6 приведены результаты обработки стробоскопического трека отдельной частицы с аппроксимацией динамических параметров τD и τT в виде экспоненциальных решений (3) и (4).

pic_14.tif

Рис. 5. Определение скорости частицы по ее треку

pic_15.tif

Рис. 6. Определение температуры частицы по треку

Приведенная методика эксперимента оправдана при анализе отдельных частиц [5] и слабо запыленных плазменных струй [3], но при увеличении количества конденсированной фазы необходимо учитывать ее взаимодействие с потоком плазмы, который имеет ограниченную нагрузочную и пропускную способность, что отражается в виде фундаментальной диаграммы потока [9].

Выводы

Новая газотермическая технология – плазменно-дуговое напыление – позволяет формировать покрытия из металлов и проводящих материалов со значениями плотности и адгезии, характерными лишь для высокоскоростных методов – детонационное или газопламенное (HVOF) напыление. При этом простота конструкции установки, высокая производительность напыления и возможность работы в условиях открытой атмосферы являются несомненными конкурентными преимуществами нового метода.

Экспериментальная методика бесконтактного оптического контроля скорости и температуры частиц в процессе плазменно-дугового напыления позволяет:

ñ по скорости частиц, выносимых с торца плавящегося электрода, следить за постоянством механизма дробления расплава на капли и управлять этим процессом путем изменения величины тока дуги;

ñ верифицировать неизвестные параметры тепломассопереноса в математических моделях расчета двухфазной плазменной струи по трекам отдельных частиц;

ñ определить регулировочные закономерности, связывающие производительность установки напыления с температурой и скоростью напылительной струи.

Рецензенты:

Волков П.К., д.ф.-м.н., профессор, директор Института систем управления и информационных технологий, Югорский государственный университет, г. Ханты-Мансийск;

Мартынов С.И., д.ф.-м.н., директор Политехнического института Югорского государственного университета, г. ХантыМансийск.

Работа поступила в редакцию 08.10.2013.


Библиографическая ссылка

Бороненко М.П., Гуляев И.П., Гуляев П.Ю., Демьянов А.И., Долматов А.В., Иордан В.И., Коржик В.Н., Кривцун И.В., Харламов М.Ю. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И СКОРОСТИ ЧАСТИЦ КОНДЕНСИРОВАННОЙ ФАЗЫ В ПРОЦЕССЕ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОГО НАПЫЛЕНИЯ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-6. – С. 1194-1199;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32514 (дата обращения: 17.04.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674