Процеси у потоці газів і частинок.

Газотермічне напилення

 

Вступ. Джерела енергії.

 

Лекція 1.1.1. Вступ. Визначення і класифікація покриттів. Газополуменевий струмінь. Детонаційна хвиля.

Вступ. Визначення та класифікація покриттів.

 

В останні роки в розвинених країнах був введений і поширений, подібно до терміна „інженерія матеріалів”, термін „інженерія поверхні”.

Інженерія поверхні металів охоплює всі наукові і технічні аспекти виготовлення поверхневих шарів і нанесення більшості покриттів.

Використовуються такі визначення:

– „поверхневий шар металу” – шар металевого матеріалу, обмежений поверхнею оброблювальної деталі, що містить у собі об’єм матеріалу з властивостями, відмінними від властивостей матеріалу основи; причиною, що викликала зміну властивостей поверхневого шару, може бути одиничний чи спільний вплив механічних і електричних сил, хімічних факторів;

– „покриття” – шар металу, сплаву, керамічного матеріалу, пластмаси чи інших матеріалів, або їх композицій, стійко нанесений на поверхню металевого матеріалу; термін „інженерія поверхні” не охоплює лакофарбових покриттів, покриття тимчасового захисту і деяких інших.

Мета зміни властивостей поверхні в обох випадках – підвищення експлуатаційної стійкості (підвищення міцності, корозійно- і зносостійкості), відновлення геометричних розмірів деталей або покращення їх декоративних властивостей, створення виробів унікального функціонального призначення.

Методи керування властивостями поверхні умовно можна поділити на такі основні групи:

– нанесення покриттів,

– легування поверхні,

– модифікація структури поверхневого шару.

При нанесенні покриття на поверхні виробу формується додатковий шар матеріалу, що за своїм складом у більшості випадків відрізняється від основного матеріалу деталі. При цьому габаритні розміри деталі збільшуються на товщину шару покриття, що дає можливість використовувати методи нанесення покриттів не тільки при виготовленні нових, але й при відновленні спрацьованих деталей і конструкцій.

При легуванні поверхні або модифікації її структури зміна властивостей поверхні відбувається внаслідок зміни хімічного складу поверхневого шару матеріалу деталі чи зміни його структурного стану (аморфизація, створення метастабільних структур та ін.). Розміри виробу при цьому не змінюються.

При нанесенні покриттів, як правило, забезпечується нова якість деталі (підвищується довговічність, покращуються особливі тепло- і електрофізичні властивості, набувається привабливий зовнішній вигляд тощо). При цьому практично не існує обмежень на сполучення матеріалів у системі основа-покриття.

Покриття – шар або декілька шарів матеріалу, визначеного складу і структури, які штучно створюються на поверхні, що покривається, і служать для функціональних і декоративних цілей.

Покриття класифікують:

– за способом отримання:

– газотермічне:

Газополуменеві

Детонаційні

Плазмові

Електродугові

– конденсаційне

– наплавлене

– гальванічне

– хімічне

– електроіскрове

– гаряче

– анодне

– анодно-оксидне

– емалеве

– за функціональним призначенням:

– антифрикційне

– антикорозійне

– жаростійке

– захисне

– зносостійке

– катодне (анодне)

– підмастильне

– пористе

– покриття, що потніють

– надтверде

– фрикційне

– ерозійностійке

– ущільнюючі (спрацьовувані)

– теплозахисне

– термостійке

– кіркове

– електроізоляційне

– відновлювальне

– грунт (підшарок)

– наповнене

– емісійне

– ненаповнене

– антиемісійне і гетерогенне

– електропровідні

– покриття, які поглинають надвисокочастотну енергію

– антибактеріальне

– за складом:

– комбіноване

– композиційне

– оксидне

– металеве

– неметалеве

– лакофарбове

– за зовнішнім виглядом:

– декоративне

– шпаклювальне

– дзеркальне

 

 

Газотермічне напилення. Загальна характеристика газотермічного напилення покриттів. Джерела енергії.

 

Газотермічне нанесення покриттів – отримання покриття із нагрітих і прискорених частинок матеріалу з використанням високотемпературного газового струменя при співударі яких з основою або напиленим матеріалом іде їх з'єднання за рахунок зварювання, адгезії і механічного зчеплення.

Спершу напилення покриттів здійснювали за допомогою витікаючого з сопла пальника струменя повітря або нагрітого газу, що забезпечує дрібне розпилення розплавленого металу і його осадження на поверхню виробу. Цей спосіб надалі розвився в технологію розпилення рідких розплавів, що широко використовується в сучасній порошковій металургії. Перша установка для напилення була створена в 1910 р. Шоопом (Швейцарія), і призначалася для нанесення на підготовлену відповідним способом поверхню виробу із розплавленого металу з низькою температурою плавлення, за допомогою струменя гарячого стиснутого повітря. Установка, розроблена для цього методу була громіздкою та малопродуктивною.

Історія напилення нараховує вже майже сотню років, в продовж яких удосконалювався спосіб зміцнення деталей машин, розроблялися нові джерела нагріву, що мали високі енергетичні характеристики; створювалася апаратура для безперервного подавання напилюємого матеріалу у вигляді дроту або порошку; розроблялосяі виготовлялося комплектне обладнання, типи і модифікації якого до теперішнього часу стали достатньо багаточисельними.

За енергетичною ознакою методи газотермічного нанесення покриттів поділяються на газополуменевий, детонаційній, плазмовий і електродуговий. Ці методи відрізняються типом джерела енергії, яка витрачається на нагрівання та прискорення матеріалу, що створює покриття.

В газополуменевих процесах нанесення покриттів використовується тепло, яке виділяється при згорянні пальних газів (ацетилену, пропан-бутану, водню, метану, природного газу тощо) в суміші з окислювачем (киснем або стиснутим повітрям). Нагрітий газ при втіканні в простір, заповнений повітрям або іншим газом, утворює затоплений струмінь, який називається факелом. При подаванні у факел матеріалу, який напилюється, його частинки нагріваються і прискорюються продуктами згоряння.

При детонаційному методі нанесення покриттів використовується енергія вибуху газових сумішей. Цей метод напилення, на відміну він інших газотермічних методів, є імпульсним. Порошок матеріалу, який використовується для формування покриття, і суміш газів періодично подаються в розпилювач. Після ініціювання займання пальної суміші розвивається процес її детонаційного горіння. При цьому формується потік частинок матеріалу, який нагрівається і прискорюється продуктами згоряння газової суміші. Ударна взаємодія імпульсного двофазного потоку продуктів детонації і частинок порошку з поверхнею основи супроводжується утворенням одиничної плями напилення. Процес утворення плям напилення циклічно повторюється.

Плазмовий метод нанесення покриттів використовує енерию дугового або високочастотного розрядів. Газ при взаємодії з розрядом сприймає частину його енергії і нагрівається до температури 5000...55000 К, переходячи тим самим у стан низькотемпературної плазми. Плазмовий струмінь – це потік речовини, яка складається із електронів, іонів і нейтральних атомів плазмоутворюючого газу. Частинки вихідного матеріалу, потрапляючи у плазмовий струмінь, нагріваються і переносяться на поверхню виробу, який обробляється.

Газотермічне напилення, при якому нагрівання металу у вигляді дроту, прутка або стрічки здійснюється електричною дугою, а диспергування – струменем стиснутого газу, називається електродуговим напиленням. Дуга горить між електродами-дротами і плавить їх. Розплавлений матеріал здувається потоком газу, дробиться у дрібні краплі і під дією струменя газу набуває визначену швидкість. Розплавлені частинки матеріалу при співударі з основою деформуються і охолоджуються, утворюючи при цьому покриття.

Формування металевого покриття газодинамічним способом (методом „холодного” напилення) ґрунтується на утворенні на поверхні , що напилюється, шару з частинок металу, які мають високу кінетичну енергію і деформовані внаслідок удару об основу. Для цього використовується надзвуковий струмінь газу (повітря, аргон, гелій), нагрітий до 200 – 500 °С, в який вводяться частинки порошкового матеріалу, що прискорюються до швидкості, необхідної для формування покриття.

В останні роки набули розвитку так звані гібридні процеси як наслідок поєднання окремих джерел енергії, наприклад, лазерно-плазмові та ін.

Газополуменевий струмінь. Як джерело енергії для нагрівання та прискорення частинок матеріалу, який утворює покриття, найчастіше використовується енергія горіння газів і пари рідких пальних у суміші із киснем або повітрям. Переважно застосовуються вуглеводневі гази типу С_хН_У або їх суміш, і найбільш розповсюджений серед них – ацетилен (С₂Н₂).

Ацетилен у суміші з киснем має найвищу температуру полум’я – 3100 – 3200 °С; технічний пропан – 2700 – 2800 °С; бутан – 2400 – 2500 °С; метан – 2400 °С; природний газ – 2000 – 2200 °С; водень – 2600 °С.

Повне згоряння ацетилену іде за реакцією:

С₂Н₂+2,5О₂ = 2СО₂ + Н₂О + Q

Теплота реакції згоряння ацетилену Q складається із теплоти реакції екзотермічного розпаду ацетилену і суми теплот первинних реакцій згоряння вуглецю і водню.

Процес горіння ацетилену має декілька стадій. Стадія підготовки пального до згоряння характерна наявністю пірогенного (теплового) розкладання ацетилену в рівновазі з киснем, який протікає в ядрі 1 полум'я (рис 1.). Пірогенне розкладання виникає внаслідок обмеженої теплової стійкості вуглеводнів. Пальне розкладається на складові елементи: вуглець і водень. Кінцевим продуктом пірогенного розкладання ацетилену за наявності кисню, який надходить із пальника і називається первинним, є CO і H₂.

Для пірогенного розкладання на один об'єм ацетилену потрібний один об'єм кисню. Полум'я з таким складом газової суміші називається нормальним. Практично через те, що невелика кількість водню згоряє з утворенням водяної пари за рахунок кисню горючої суміші і через деяку забрудненість кисню, який надходить із пальника, співвідношення кисню і ацетилену встановлюється трохи більшим за одиницю:

,

де V_к – об’єм кисню, м³, V_а – об'єм ацетилену, м³/

Стадія займання проходить в середній зоні полум'я 2 і характеризується процесом активного окиснення СО і Н₂ до вуглекислого газу СО₂ і водяної пари Н₂О. Момент переходу процесу в стадію активного окиснення і є процесом горіння.

Стадія догоряння проходить в зоні 3 факела полум'я і характеризується процесом окиснення продуктів пірогенного розкладання ацетилену в кінцеві продукти СО₂ і Н₂О. Процес догоряння відбувається з вторинним киснем, тобто за рахунок кисню навколишнього середовища.

Наведені стадії процесу горіння характеризуються також зміною температурного стану суміші. На першій стадії, яка проходить у ядрі 1 полум'я, іде підвищення температури займання. На другій стадії (середня зона 2 полум'я) температура різко підвищується від температури займання до максимальної (близько 3150 °С) температури полум'я. На третій стадії (факел 3) іде зниження температури (рис. 1).

Полум'я суміші ацетилену і кисню прийнято поділяти на нормальне, окиснювальне і відновлювальне (вуглецеве). Але практично, нейтральне полум’я (b = 1,1...1,2) інтенсивно протидіє окисненню, а відновлювальне (вуглецеве) (полум'я з надлишком ацетилену) не відновлює метал, а насичує його вуглецем. Отримання теоретично нейтрального полум'я, яке при даному складі, температурі і тиску не окиснює і не відновлює метали, досить складна і малоймовірна річ.

 

Горіння метану відрізняється від горіння ацетилену. У метано-кисневому полум'ї теж можна виділити три зони (рис. 2, а): внутрішню (ядро) 1, середню 2 і зовнішній факел 3. У зоні ядра іде процес розкладання метану на вуглець і водень з поглинанням тепла, тобто відбувається ендотермічна реакція. Тільки після розпаду метану на складові елементи при горінні виділяється тепло. Середня зона має форму факела із згладженими краями (рис. 2).У цій зоні іде процес займання (окиснення) СО і Н₂О.

У зовнішній зоні полум'я проходить згоряння продуктів розкладу метану до СО₂ і Н₂О за рахунок вторинного кисню, який надходять із повітря. Для нормального процесу теоретично повинна надходити суміш метану і кисню в співвідношенні: b = 1,6...1,8.

Полум'я суміші технічного пропану і кисню (рис. 2, б) також складається з кількох окремих зон. У внутрішній зоні 1 іде ендотермічне розкладання пропану на ацетилен С₂Н₂ і водень Н₂. У середній зоні 2 (відновлювальній) проходить окиснення вуглецю, але дещо повільне порівняно з реакцією окиснення в ацетиленовому полум'ї.

Оптимальне співвідношення кисню і технічного пропану: b = 3,5

Середня зона на останній третині довжини має найбільш високу температуру (2400 – 2500 °С) і вміщує гази-відновлювачі СО і Н₂ та пару Н₂О. Реакція горіння у цій зоні іде з виділенням тепла. У третій зоні проходить повне згоряння продуктів середньої зони – водню і оксиду вуглецю за рахунок кисню, який надходить з повітря. Температура в середній частині зовнішнього факела досягає 2000 °С і знижується в кінці до 1400 °С.

Сучасні газополуменеві розпилювачі мають соплові головки, в яких горюча суміш витікає не через один центральний канал, а через кільцевий канал або через розміщені по колу осесимитричні соплові отвори. Відповідно істотно змінюється структура факела пальника.

Поблизу соплових отворів виникають мікрофакели довжиною кілька міліметрів. Далі вони зливаються, і зона розміщених по колу факелів переходить у високотемпературну конусну область, яка звужується. Всередині цієї області формується відносно холодний конусний простір.

Високотемпературна конусна область оточена циліндричною зоною нагрітого газу. Навколо неї розміщена зовнішня зона, яка розширюється.

Вихідні параметри газополуменевого пальника, такі, як швидкість газу, густина теплового потоку і температура газу у факелі, разом із витратними і швидкісними характеристиками матеріалу визначають параметри частинок матеріалу, який напилюється, перед поверхньою основи.

На малих відстанях від зрізу сопла максимальна густина теплового потоку спостерігається не на осі факела, а на концентричній осі кола, яке відповідає колу розміщення сопел. При віддаленні від зрізу сопла локальна максимальна густина теплового потоку зменшується і на деякій відстані максимум густини потоку зміщується до осі факела. При подаванні стиснутого повітря через соплові отвори, які розміщені на периферії соплового наконечника, факел звужується і густина теплового потоку в ньому підвищується.

 

Детонаційна хвиля. Детонація являє собою процес хімічного перетворення горючої суміші при розповсюджені в ній зони горіння у вигляді детонаційної хвилі. Остання рухається з максимально можливою для даних умов швидкістю, яка перевищує швидкість звуку в даній речовині. Для ацетилено-кисневих сумішей швидкість детонації складає приблизно 2000...3000 м/с. Детонаційна хвиля являє собою комплекс ударної хвилі і зони хімічної реакції і її швидкість постійна для даних геометричних розмірів ствола і складу газу.

В ударній хвилі газ стискується до кількох десятків атмосфер. При цьому температура підвищується до кількох тисяч градусів і стає значно більшою за критичну температуру, при якій газова суміш вступає в реакцію.

За зоною хімічної реакції знаходяться продукти детонації, які мають високий тиск і температуру. Вони слідкують за детонаційною хвилею з швидкістю, яка менша за швидкість детонаційної хвилі на швидкість звуку.

Після досягнення детонаційною хвилею відкритого кінця ствола, детонаційна хвиля руйнується, бо може переміщуватися тільки по суміші газів, яка здатна до детонації. Загасаюча ударна хвиля може переміщуватися і поза стволом, але на відстані більше 100 мм її амплітуда близька до нуля.

Продукти детонації починають витікати зі ствола у вигляді надзвукового нерозрахункового струменя; температура і тиск продуктів детонації у стволі зменшуються; витікання йде доти, поки тиск продуктів на виході зі ствола не зрівняється з атмосферним, після цього навколишнє повітря засмоктується в ствол спочатку біля стінок, а потім по всьому перерізу і заповнює його більшу частину.

На рис. 3 показано структуру детонаційної хвилі. Перед ударною хвилею знаходиться незбурена газова суміш із температурою Т₁. За фронтом ударної хвилі, який має протяжність S₁, температура набагато вища (Т₂), а газ дуже стиснутий.

У зоні протяжністю S₂ відбувається релаксація обертальних і коливальних ступенів вільності поступального руху, обертання і коливання молекул при їх співударі.

У зоні релаксації температура знижується до величини Т₃ внаслідок зменшення енергії поступального руху, але при цьому значно збільшується енергія коливального руху, що істотно полегшує проходження хімічних реакцій. Потім внаслідок хімічних перетворень температура в зоні протяжністю S₃ знову збільшується і досягає максимального значення Т₄.

Після формування детонаційної хвилі швидкість її поширення збільшується доти, доки не досягне значення, визначеного для даної суміші в даних умовах. Детонаційна хвиля поширюється далі із вказаною швидкістю і має фіксовані параметри: тиск, густину, температуру тощо. Швидкість детонаційної хвилі для різних газів дорівнює від 1500 до 3500 м/с.

Швидкість детонації майже виключно залежить від швидкості звуку в продуктах детонації і теплоти, яка виділяється внаслідок хімічної реакції і зовсім не чутлива до хімічних процесів, у ході яких ця енергія виділяється, однак хімічні процеси визначають концентраційні границі детонації.

Параметри детонаційної хвилі визначаються законами збереження. Займання газової суміші зумовлено нагріванням її при стисканні ударною хвилею. Згідно з розрахунками при швидкості ударної хвилі приблизно 1700 м/с у двохатомному ідеальному газі температура досягає приблизно 1700 К. Це значно перевищує температуру займання вибухових газових сумішей.

Аналіз властивостей різних сумішей газів показує, що найбільш прийнятною для детонаційного напилення є суміш ацетилену з киснем. Вона і знайшла широке практичне використання.

Ширина зони реакції залежить від тривалості реакції в детонаційній хвилі:

,

де b_p – ширина зони реакції, м; D – швидкість руху детонаційного фронту хвилі відносно стінок ствола, м/с; w – швидкість продуктів детонації, м/с; t_p – середній час реакції, с.

Параметри газового потоку поза стволом важко піддаються розрахунку. Експериментальні дослідження довели, що картина зміни швидкості на осі струменя залежно від відстані добре узгоджуються із загальною картиною витікання вільних надзвукових струменів.

 

Лекція 1.1.2. Електрична дуга.

Електрична дуга. Електрична дуга як джерело енергії використовується при електродуговому нанесенні покриттів (застарілий термін "металізація"). Дуга плавить електроди, а розплавлений метал видаляється і розпилюється із зони плавлення потоком газу (рис. 4). Дроти подаються назустріч один одному спеціальними механізмами подачі і, таким чином, збільшення відстані між ними компенсується завдяки плавленню. Швидкість подавання дроту визначається режимом горіння дуги.

Плавлення електродів відбувається переважно внаслідок енергії, яка виділяється в зоні активних плям дуги. Середньо-масова температура рідкого металу T знаходиться в межах T_пл £ Т £ Т_кип, де Т_пл, Т_кип – відповідно температура плавлення і температура кипіння металу електродів.

Фронт плавлення близький за формою до площини, нормаль до якої перетинається з віссю електрода під деяким кутом j (рис. 4). Цей кут може змінюватися від 0° до j_mах = 90° - w / 2, де w — кут перетину осей електродів.

Зміна режиму розпилення веде до зміни кута нахилу фронту плавлення при сталій швидкості подавання електродів: збільшення напруги дуги веде до зменшення кута j; при збільшенні швидкості подавання електродів кут j збільшується.

Якщо між середньою швидкістю переміщення фронту плавлення і швидкістю подавання електродів існує динамічна рівновага, то спостерігається стабільне горіння дуги без коротких замикань і зривів.

При такому режимі газовий потік забезпечує евакуацію і розпилення порції рідкого металу з електродів до їх зіткнення і короткого замикання. Далі, розплавлений метал знову накопичується на торцях електродів, стовп дуги скорочується, і цикл повторюється. Разом із періодичним викиданням порцій металу з міжелектродного проміжку відбувається також безперервне струминне стікання перегрітого металу з поверхні електродів. Це результат зменшення сил поверхневого натягу при сильному перегріванні розплавленого металу і, як наслідок, нездатність утримання ним оплавленого шару на поверхні електродів. Під дією струменя газу цей оплавлений шар змивається з поверхні електродів і розпилюється. Маса і розміри крапель значно менші, ніж маса порції металу, який вилучається з електродів за один цикл горіння дуги. Це є наслідком подрібнення металу під впливом газодинамічних сил газового струменя.

Ступінь диспергування багато в чому залежить від властивостей розплавленого металу частинки, в тому числі від ступеня його перегрівання.

Середня швидкість плавлення електродів w_п зв'язана зі швидкістю їх подавання v залежністю v = w_п / cos j, а продуктивність процесу G – залежністю

G = 2pr²w_п / cos j,

де – густина матеріалу електродів, кг/м³; r – радіус електродів, м.

Із виразу видно, що продуктивність процесу можна підвищувати або збільшенням діаметра електродів (якщо дозволяє потужність джерела), або організацією процесу таким чином, щоб середня швидкість плавлення електродів і кут j були максимальні. Збільшення діаметра електродів більше, ніж 2–3 мм, у багатьох випадках небажане, оскільки потребує значного збільшення потужності приводу і, відповідно, маси апарата. Крім того, істотно збільшується діаметр повітряного сопла, а отже, витрата розпилювального газу. Таким чином, перспективним шляхом підвищення продуктивності процесу можна вважати збільшення w_п і j. Кут j збільшується зі зменшенням напруги дуги. Тому, з погляду на підвищення продуктивності, процес слід вести з використанням дуги мінімальної довжини, напруга якої мало перевищує суму приелектродних спадів напруги.

Зі зменшенням напруги підвищується не тільки продуктивність, а й ефективність процесу електродугового розпилення.

Розглянемо особливості течії розпилювального газу для традиційної схеми електродугового розпилювача (рис. 5): два електроди, які подаються під гострим кутом один до одного з електричним розрядом у точці перетину.

Між електродами розміщене центральне сопло діаметром D, вісь якого перетинається з точкою стику осей електродів. Газодинамічна сила у випадку, який розглядається, визначається умовами витікання газу із сопла і відстанню х від зрізу сопла до точки перетину електродів.

При створенні електродугових розпилювачів відстань х робиться якомога меншою і, як правило, не перевищує (2–3)D, що є значно меншим, ніж довжина початкової ділянки газового струменя х_п, де швидкість газу w₁ стала. Таким чином, можна уважати, що параметри газу, який надходить на електроди, відповідають параметрам газу на виході із сопла (при режимі витікання, який близький до розрахункового). Крім того, вважатимемо, що відносно газового струменя дуга є квазітвердим тілом, яке не продувається.

Швидкість струменя, який витікає із сопла, може бути дозвуковою і надзвуковою. Відношення швидкості потоку до швидкості звуку в потоці називають числом Маха і позначають буквою М. При дозвуковій швидкості М < 1, а при надзвуковій – М > 1. В обох випадках при взаємодії газового струменя з електродами, які, з точки зору аеродинаміки, є погано обтічними тілами, утворюються застійні зони. У цих зонах за електродами осьова складова швидкості незначна і параметри потоку близькі до параметрів гальмування. Внаслідок цього евакуація розплавленого металу із застійних зон утруднюється, а це веде до накопичення рідкого металу в цих областях.

При обтіканні дроту дозвуковим струменем структура течії принципово не змінюється. При М < 0,6 після проходження перешкоди спостерігається незначна втрата кінетичної енергії потоку, який залишається дозвуковим. При М > 0,6 рівень втрат кінетичної енергії починає зростати досить інтенсивно, що пояснюється виникненням локальних надзвукових зон на поверхні обтічних тіл і втратою енергії в стрибках згущення, які утворюються в цих зонах.

Внаслідок натікання газового потоку на розплав діє аеродинамічна сила F, яка бере участь в евакуації з електродів рідкого металу. Якщо вважати, що розплав обмежений циліндричною поверхнею і площиною, яка паралельна фронту плавлення, силу F можна розглядати як сукупність двох сил – сили лобового опору F₁, яка діє на циліндричну поверхню, і сили тертя F₂ на плоскій поверхні. Для сил F₁ і F₂ у випадку, коли площина фронту плавлення паралельна осі газового потоку, можна записати

де С_п, С_ц – коефіцієнти динамічного опору відповідно плоскої і циліндричної поверхонь; S=pd²/(4sin(w/2)) – площа перерізу електрода в площині, яка відповідає фронту плавлення; S₁=dd – площа міделевого перерізу рідкого прошарку (перерізу з максимальною площею); w₂, ₂ – відповідно швидкість і густина газу, який евакуює розплавлений метал; d – товщина прошару.

Із збільшенням числа Маха динамічний напір ₁w₁² зростає (індекс "1" належить до параметрів газу, що витікає із сопла). Збільшення швидкості дозвукового потоку до М 0,9 веде до зростання газодинамічної сили, яка евакуює розплавлений метал з електродів, а відповідно – до зменшення питомих енерговитрат і збільшення продуктивності.

У випадку застосування надзвукового газового струменя (рис. 5) режим обтікання електродів і дуги істотно змінюється. Внаслідок взаємодії центральної частини потоку, який надходить безпосередньо на зону перетину електродів, з дугою, формується криволінійна головна хвиля 3 (рис. 5, а). В евакуації і диспергуванні розплавленого металу бере участь газ, який пройшов крізь прямий стрибок згущення і має параметри w₂, ₂, р₂, Т₂. При взаємодії периферійних ділянок надзвукового струменя з електродами виникають скісні стрибки згущення 4, які спричиняють відхилення струменів газу, які пройшли крізь стрибок, в обидва боки від площини розміщення електродів (показано стрілками на рис. 5, б).

При цьому інтенсивність стрибка в міру віддалення від цієї площини послаблюється і відповідно швидкість газу за точкою А буде нижча, ніж за точками С та С'. Крім того, косі стрибки згущення спричиняють появу поперечної складової швидкості газового струменя, яка напрямлена до його осі, що приводить до звуження потоку в площині, яка проходить через осі електродів, і подальше часткове злиття периферійних і центральної ділянок струменя.

Зрозуміло, що евакуація і початкове диспергування здійснюється лише дозвуковим потоком газу. Динамічний напір, а відповідно, й аеродинамічну силу, яка евакуює розплав, можна підвищити збільшенням критичної швидкості і густини газу, який витікає із сопла.

 

Лекція 1.1.3. – 1.2.4. Струмінь низькотемпературної плазми. Стан плазми. Термодинаміка плазмових процесів.

Струмінь низькотемпературної плазми. Найбільш сучасним і універсальним джерелом нагрівання та прискорення частинок матеріалу, який утворює покриття, є струмінь низькотемпературної плазми. Струмінь плазми утворюється нагріванням за допомогою електричної дуги плазмоутворювального газу, який, обдуваючи дугу і проходячи крізь неї, підвищує свою температуру, змінює склад, дисоціює й іонізує.

Для нанесення покриттів використовується низькотемпературна плазма, яка формується, зазвичай, при атмосферному тиску і є високонагрітим газом із відносно невисоким ступенем іонізації. Таким чином, низькотемпературна плазма – це частково іонізований газ, що складається з позитивно і негативно заряджених частинок, сумарний заряд яких дорівнює нулю. Крім електронів і іонів – носіїв заряду, в плазмі є також неіонізовані атоми і молекули. До низькотемпературної плазми відносять речовину з температурою Т = 10³–10⁵ К, тобто кілька електрон-вольт (1 еВ еквівалентно 11,600 К), і ступенем іонізації 2–20 %.

Високотемпературна плазма має температуру, яка оцінюється сотнями електрон-вольт. На сьогоднішній день у процесах нанесення покриттів вона не використовується.

Перевагою атмосферної щільної низькотемпературної плазми є високі технологічні властивості, які визначаються значною ентальпією і добрими переносними властивостями плазми, тобто здатністю передавати температуру і кінетичну енергію частинкам матеріалу, що напилюється.

Середня кінетична енергія електронів, іонів і нейтральних молекул у плазмі різна. Тому розрізняють температуру електронів Т_е, температуру іонів Т_і і атомну температуру Т₀. Зазвичай, Т_е>>Т_і>Т₀. Істотна різниця між температурами електронів та іонів пояснюється значною відмінністю мас електронів та іонів. Відомо, що електрони отримують свою енергію безпосередньо в газовому розряді, який створюється і підтримується зовнішнім джерелом електричної енергії. Іони отримують енергію від електронів шляхом зіткнення з ними.

Але внаслідок істотної різниці мас (відношення маси електрона до маси іона дорівнює 1:1840 А, де А – атомна маса речовини іона) легкий електрон передає іону лише невелику частину своєї кінетичної енергії і відскакує від нього. Для повної передачі енергії електрон повинен багато разів зіткнутися з іоном. Одночасно електрон отримує енергію від джерела електричного струму.

У стовпі дуги високого (атмосферного) тиску електронна та іонна температури близькі одна до одної, оскільки в умовах щільного газу спостерігаються часті зіткнення між електронами та іонами, які вирівнюють їх температуру, тобто умови існування дугової плазми близькі до умов локальної термодинамічної рівноваги (плазма квазіізотермічна).

У дуговому розряді загальна кількість іонів дорівнює загальній кількості електронів (при однократній іонізації), оскільки ці частинки отримуються з нейтральних в однаковій кількості. У загальному випадку існують процеси, які призводять до перевищення кількості заряджених частинок одного знака над частинками іншого знака в окремих малих об'ємах газу. Наприклад, це – дифузія електронів, розподіл заряду в сильних електричних полях тощо. Але практично завжди дуговий розряд є квазінейтральним, тобто локальні концентрації іонів і електронів близькі.

Традиційно найбільш поширеними плазмоутворювальними газами при напиленні покриттів є аргон, азот, водень, гелій та їх суміші, хоча для створення потоку плазми теоретично можуть використовуватися і використовуються й інші гази та газові суміші, зокрема аміак, повітря, суміш аміаку з азотом, водяна пара тощо.

Основні критерії при виборі плазмоутворювальних газів:

– фізико-хімічні властивості, які визначають можливості плазмового струменю;

– характер взаємодії з напилювальним матеріалом;

– характер взаємодії з електродами;

– вплив на навколишнє середовище (нетоксичність, вибухонебезпечність);

– ціна і доступність.

Формально, з точки зору передачі тепла дисперсному матеріалу, висока температура плазми більш вигідна, оскільки тепловий потік до частинок матеріалу істотно залежить від температурного перепаду в примежовому шарі:

Q=a_т(Т_п – Т_пов),

де Т_п – температура плазми; Т_пов – температура поверхні частинки; a_т – коефіцієнт тепловіддачі від газу до частинки, Вт/(м²·К).

де l – коефіцієнт теплопровідності плазми, Вт/(м·К); d_ч – діаметр частинок, м; Re, Pr – критерії Рейнольдса і Прандтля відповідно. Критерій Рейнольдса визначає режим течії газу: , де w швидкість течії, м/с; d_ч – діаметр частинок порошку, м; n – кінематична в’язкість, м²/с. Критерій Прандтля (критерій подібності температурних і швидкісних полів): , де a – коефіцієнт температуропроводності, м²/с.

Однак оскільки передача тепла внаслідок великих втрат тепла випромінюванням при підвищенні температури погіршується, то для підвищення коефіцієнта теплопередачі доцільно використовувати гази, які мають більшу ентальпію при нижчих температурах. Таким чином, температура плазмового струменя є важливим, але не домінуючим фактором, оскільки використання будь-якого з перерахованих вище газів дає можливість отримувати температуру, яка значно перевищує температуру плавлення матеріалу, що обробляється.

Нагрівання дисперсного матеріалу призводить до відбирання енергії від плазмового струменя внаслідок нагрівання матеріалу і взаємодії струменя з навколишнім середовищем. Це супроводжується зниженням температури вздовж струменя і зменшенням, як наслідок, температурного напору.

Найбільший тепловміст мають плазмові струмені Н₂О, NН₃, N₂ і продукти горіння вуглеводневих газів при різному вмісті вуглеводневого компонента. Незважаючи на високий тепловміст, плазми Н₂О і NH₃ мають порівняно невисоку температуру. Для досягнення температур порядку 6000 К необхідні значення питомої енергії дорівнюють 16 кВт·год/м³. Аргон і аргоноводневі суміші мають високу температуру плазмового струменя, але вона досить швидко знижується при відведенні енергії: наприклад, при = З кВт·год/м³ зниження температури плазми при відбиранні 1 кВт·год/м³ енергії становить майже 3000 К. Плазма продуктів горіння вуглеводневих газів і плазма N₂ мають приблизно однаково високий тепловміст. Зниження температури плазми при відбиранні 1 кВт·год/м³ становить 180 – 200 К в інтервалі температур 8000 – 6000 К для азоту, а для плазми продуктів горіння таке ж значення в інтервалах 8000 – 6000 і 4000 – 3000 К.

Важливим компонентом, який визначає інтенсивність теплового потоку до частинки, яка нагрівається, є коефіцієнт тепловіддачі. Визначальною є передача тепла внаслідок теплопровідності, оскільки частка конвективної складової при теплообміні становить не більше, ніж 30 %.

Для дисоційованого та іонізованого газів дотримується співвідношення для ефективного коефіцієнта теплопровідності:

,

де l_сг – коефіцієнт теплопровідності суміші газів без урахування хімічних реакцій, Вт/(м·К); с_рр і с_р – рівноважна і „заморожена” теплоємності суміші газів у плазмі.

Ефективний коефіцієнт теплопровідності складної плазми, яка містить у собі різнорідні молекули, іони і електрони, визначається теплопровідністю компонентів. Він залежить від швидкості зміни концентрації компонентів внаслідок хімічних реакцій дисоціації та іонізації. Залежність ефективного коефіцієнта теплопровідності від температури має немонотонний, хвилеподібний вигляд.

Наприклад, плазма, яка генерується із суміші метану і повітря, вміщує компоненти з різними значеннями температур максимальних швидкостей дисоціації: Н₂О – 2800 К, СО₂ – 3500 К, Н₂ – 4500 К, N₂ – 7000 К. Тому нагрівання матеріалів у ній проходить ефективно в широкому інтервалі температур.

Необхідною умовою отримання міцних і щільних покриттів є велика швидкість частинок біля основи. Швидкість, якої набувають частинки при взаємодії з плазмовим струменем, визначається переважно розміром і густиною частинок та швидкісним напором плазмового струменя.

Крім розглянутих вище властивостей плазмового факела, важливим є його склад залежно від температури і ступеня взаємодії з атмосферним повітрям. Типово нейтральні за природою плазми Аr або N₂ завжди будуть окиснювальними внаслідок інжекції кисню з атмосфери.

Плазма продуктів горіння, змінюючи співвідношення між горючим компонентом вихідної плазмоутворювальної суміші та окисником, дає можливість змінювати довжину відновлювальної ділянки струменя, в якому здійснюється нагрівання та прискорення матеріалу.

Струмінь, який генерується плазмотронами, дуже неоднорідний і має складну структуру. У загальному випадку всі існуючі потоки реального газу або рідини поділяються на ламінарні і турбулентні. Якщо рух частинок газу має упорядкований шаровий характер, то такий рух називається ламінарним. Коли рух частинок газу стає хаотичним, виникають нерівномірні пульсації швидкості в поздовжньому та поперечному напрямках, така течія має назву турбулентна. Величиною, що визначає зміну структури потоку, є число Рейнольдса:

Re=wd_ч/v,

де w – швидкість потоку газу; d_ч – розмір, характерний для даного руху (діаметр сопла розпилювача); n – кінематична в'язкість речовини.

На зрізі сопла плазмотрона течія може бути ламінарною (Rе < 100 – 250) і турбулентною (Rе > 300 – 800). Однак на дистанціях від зрізу сопла, які становлять інтерес, з точки зору напилення (100 – 300 мм), потоки дуже часто виявляються турбулентними. Внаслідок процесів турбулентного перемішування і в'язкого тертя плазмовий струмінь захоплює і залучає до руху значну масу газу навколишнього середовища. Ступінь турбулентності і її масштаб характеризують інтенсивність перемішування газів навколишнього середовища з несучим потоком та концентрацію хімічно активних газів у потоці, які здатні вступати у взаємодію з дисперсною фазою в потоці. Крім того, внаслідок зміни параметрів газового потоку будуть проходити відповідні зміни швидкості і температури частинок напилюваного матеріалу.

На структуру, склад, теплові і швидкісні параметри плазмового струменя великий вплив мають режимні параметри розпилювача та геометричні характеристики дугового каналу.

Процеси у потоці газів і частинок.

 

Лекція 1.2.5. Математичний опис термодинамічного стану плазмового струменя на зрізі сопла плазмотрона.

 

Методика розрахунку середньомасової температури плазмового струменя за питомим внеском енергії.

Температура плазми залежить від природи плазмоутворювальної речовини та енергії, яка в неї внесена. Питомий внесок енергії пов'язаний із добутком ентальпії співвідношенням (кВт·год/м³)

де Н – ентальпія плазмового струменя, кДж/кг; Н₀ – ентальпія вихідних плазмоутворювальних газів за стандартних умов, кДж/кг; V₀ – питомий об'єм плазмоутворювального газу, м³/кг.

З іншого боку,

,

де W – електрична потужність, яка подається на плазмотрон, кВт; W_p – потужність, яка розсіюється у плазмотроні, кВт; V_г – витрата плазмоутворюючого газу, м³/год.

Якщо прирівняти ці вирази та взяти до уваги, що , абоприблизно , тоді

,

де , Т₀ – початкова температура плазмоутворюючого газу, Т₀ » 293 К, с_р – питома теплоємність газу, кДж/(кг×К).

Звідси

,

де Т₀ – початкова температура плазмоутворюючого газу, К; V₀ – питомий об'єм плазмоутворюючого газу, м /кг; W – електрична потужність, яка подається на плазмотрон, кВт; W_p – потужність, яка розсіюється у плазмотроні, кВт; с_р – питома теплоємність газу, кДж/кг×К; V_г – витрата плазмоутворюючого газу, м³/год.

Методика розрахунку середньомасової температури плазмового струменю на основі закону збереження енергії.

На основі закону збереження енергії, електрична потужність, що подається на плазмотрон, складається з таких видів енергії:

W = W_н + W_d + W_i + W_втр (1)

де W – електрична потужність, що підводиться до плазмоутворюючого газу, Вт; W_н – електрична потужність, яка витрачається на нагрівання плазмоутворюючого газу, Вт; W_d – електрична потужність, що витрачається на дисоціацію молекул плазмоутворюючого газу, Вт; W_i – електрична потужність, яка витрачається на іонізацію плазмоутворюючого газу, Вт; W_втр – витрати потужності в електродах плазмотрону, Вт.

Розпишемо кожну складову закону збереження енергії:

Електрична потужність, яка витрачається на нагрівання плазмоутворюючого газу записується формулою:

W_н = m_г·Cp_г ·(T_пл–T₀), (2)

де Cp_г – питома теплоємність плазмоутворюючого газу при Р = const, Дж/кг·К; T_пл – температура плазмового струменя, К; T₀ – вихідна температура, К; m_г – масові витрати плазмоутворюючого газу, кг/с:

m_г = _г ·V_г, (3)

де _г – густина газу, кг/м3; V_г – об’ємні витрати газу, м³/с.

, (4)

де Р – тиск плазмоутворюючого газу, Па; _г– молярна маса газу плазми, кг/кмоль; R – газова стала, R = 8,31·10³ Дж/К·кмоль.

Підставляючи рівняння (4) в рівняння (3) отримуємо вираз для масових витрат:

, (5)

Підставляючи рівняння (5) в рівняння (1) отримуємо:

. (6)

Якщо Cp_г – теплоємність при Р = const, Дж/К, а Сv – теплоємність при V = const, Дж/К, тоді

, (7)

де М_г - маса плазмоутворюючого газу, кг.

З урахуванням іонізації газу, маємо:

(8)

де е₀ – заряд електрона, е₀=1,6·10^–19 Кл; ₀ – електрична стала, ₀=8,85·10^–12 Ф/м; і – число ступіней вільності, для одноатомного газу і = 3, для двоатомного – і = 5, для повітря – і = 6; d – дебаївський радіус екранування, м; N – кількість іонів:

(9);

a – ступінь іонізації; N_A – число Авагадро, N_A=6,02·10²⁶ кмоль^–1.

Підставляючи (8) у (7) з урахуванням (9) після поділу на М_г отримаємо вираз для питомої теплоємності плазмоутворювального газу при Р = const:

(10)

Дебаївський радіус розраховується за формулою:

(11)

де K – постійна Больцмана, K=R/N_A=1,38·10^–23 Дж/К; n – концентрація заряджених частинок одного сорту, n=N/V, де N – кількість іонів; V – об’єм плазми:

(12)

Підставляючи рівняння (12) в рівняння (11) отримаємо:

(13)

Теплоємність газу визначається за формулою:

(14)

Електрична потужність, що витрачається на дисоціацію молекул плазмоутворюючого газу визначається за формулою:

(15)

де E_г – енергія дисоціації молекул газу, Дж; Х – ступінь дисоціації (табличні данні).

Підставляючи рівняння (5) у рівняння (15) отримаємо:

(16)

Електрична потужність, яка витрачається на іонізацію плазмоутворюючого газу визначається за формулою:

, (17)

де С_і – концентрація однократно іонізованих частинок; j_г – перший потенціал іонізації плазмоутворюючого газу, В; N_i – число іонізованих частинок, які утворюються в одиницю часу:

(18)

(19)

З урахуванням (4) і (5) маємо:

(20)

Витрати потужності в електродах плазмотрону визначаються за формулою:

(21)

де m_в – масова витрата охолоджуючої води, кг/с; с_в – питома теплоємність води; с_в = 4190 Дж/(кг×К); Т – зміна температури води на вході і виході із плазмотрона, К.

(22)

де B – коефіцієнт, що розраховується за формулою:

(23)

де а – коефіцієнт, залежить від положення елемента в періодичній системі, а = 1...4, Р_пл – тиск плазми:

(24)

Якщо прирівняти лише дроби правих частин рівнянь (24) і (14) і вирішити, то отримаємо:

(25)

Підставимо рівняння (6), (16), (20), (21) у рівняння (1) і отримаємо після спрощення:

(29)

 

Лекція 1.2.6. Математичний опис термодинамічного стану плазмового струменя на зрізі сопла плазмотрона. Аналіз газодинамічних параметрів плазмового струменя.

 

Температуру струменя на зрізі сопла плазмотрона здебільшого визначають експериментально (відносна похибка отриманих значень може перевищувати 30 %), або на основі термодинамічних розрахунків без урахування змін тиску Р_пл, питомої теплоємності плазми С_рг, ступенів іонізації a та дисоціації Х. Усе це спотворює результати аналізу процесів тепломасопереносу й оптимізацію технології напилювання. Математичний опис процесів формування плазмового струменя в каналі технологічного плазмотрона, розроблений на підставі сучасних уявлень про фізику плазми і на основі закону збереження енергії, являє собою систему чотирьох рівнянь виду:

(30)

(31)

; (32)

(33)

де T_з.с – температура плазми на зрізі сопла плазмотрона, К; С_Pг – питома теплоємність газу, кДж/ (кг×К); е₀ – заряд електрона, Кл; K – стала Больцмана, Дж/К; e₀ – електрична стала, Ф/м; R – універсальна газова стала, Дж/(моль·К); і – число ступенів вільності; m_г – молярна маса газу плазми, кг/моль; j_г – перший потенціал іонізації газу, В; а – коефіцієнт, що залежить від положення елемента в періодичній системі; Е_г – енергія дисоціації газу, Дж; Т₀, Р – початкові температура і тиск плазмоутворюючого газу, a – ступінь однократної іонізації плазмоутворюючого газу; V_г – об'ємна витрата плазмоутворюючого газу, м³/с; W – електрична потужність, яка подається на плазмотрон, Вт; W_p – потужність, яка розсіюється у плазмотроні, Вт; W_p = m_вc_вT; де m_в – масова витрата охолоджуючої води, кг/с; с_в – питома теплоємність води; с_в = 4190 Дж/(кг×К); Т – зміна температури води на вході і виході із плазмотрона.

Розв’язання цієї системи методом ітерацій на ПЕОМ дозволяє установити уточнену залежність температури на зрізі сопла плазмотрона Т_з.с, ступеня іонізації a від конструкції плазмотрона, роду і витрати плазмоутворюючого газу, а також величини потужності, яка подається на плазмотрон. Отримані результати узгоджуються з літературними й експериментальними даними. Експериментальна перевірка адекватності математичної моделі, що дозволяє визначити температуру плазмового струменя на зрізі сопла плазмотрона, зроблена калориметруванням на спеціально створеній установці, показала, що відносна похибка у визначенні Т_з.с розрахунковим шляхом не перевищує 7 %. Якщо відома температура струменя на зрізі сопла плазмотрона, то можна розрахувати і швидкість струменя у тому ж місці за виразом:

(34)

де ₀ – густина плазмоутворювального газу при нормальних умовах, кг/м³; Р₀ – тиск навколишнього середовища, Па; S – площа перерізу сопла плазмотрону, м².

Розділимо плазмовий струмінь на 2 ділянки: початкову (що відповідає протяжності ядра постійних швидкостей v_з.с. і температур Т_з.с на осі струменя) і основну. Швидкість плазми на вісі струменя v_вс на основній ділянці при нормальному тиску визначаємо із виразу:

(35)

де D₀ – діаметр сопла плазмотрону, м; L – поточна відстань від зрізу сопла плазмотрону до заданої точки на вісі струменя, м.

Допускаючи, що початкова ділянка вільного затопленого струменя в чотири рази більше за діаметр сопла плазмотрона (L₀=4D₀), отримаємо вираз, по якому можна визначити середні швидкість та температуру плазмового струменя на початковій ділянці v_з.с. (36):

де L_d – дистанція напилення, м; d_п.н. – діаметр плями напилення, м.

Якщо допустити, що тиск в плазмовому струмені залишається постійним, тоді залежність швидкості струменя від температури буде мати лінійний характер. З цього виходить, що закономірність зміни середньої швидкості витікання плазмового струменя на початковій дільниці співпадає із закономірністю зміни середньої температури. Тому закономірність зміни температури по осі струменя відповідає виразу Т_ср (37):

де L_d – дистанція напилення, м; d_п.н. – діаметр плями напилення, м.

Для розрахунку зміни температури і швидкості плазмового струменя на основній ділянці складемо математичну модель, виділивши і-й елемент струменя (рис. 6).

Рис. 6. Елемент плазмового струменя: L_i – відстань від зрізу сопла до і-го елементу (L_i>L₀); dL – розмір і-го елементу; Т_і´,Т_і´´ – середня температура плазмового струменя на вході та виході із і-го елемента; v_i´, v_i´´ – середня швидкість плазмового струменя на вході та виході із і-го елемента; – середня швидкість в і-му елементі; S_і´, S_і´´ – площі перрізу плазмового струменя на вході та виході із і-го елемента, обмежена плямою напилення;Q_ai – кількість тепла, що виділяється і-м елементом в навколишнє середовище за рахунок промінного теплообміну за 1 с.

Допустимо, що в елементі відбувається інтенсивне перемішування газів, всі фізичні та газодинамічні параметри плазмового струменя, а також початкові умови витікання плазмового струменя із плазмотрону відомі, вихідні параметри попереднього елемента є вхідними параметрами для наступного. При складанні математичної моделі використовуються закони збереження маси, імпульсу і енергії для і-го елемента, при цьому весь струмінь розбивали на N елементів.

Рівняння, що дозволяє визначити температуру плазмового струменя на основній ділянці, має вигляд:

(38)

де D – зміна середньої температури в і-му елементі на відстані L_і від зрізу сопла плазмотрона; w – коефіцієнт втрати енергії; – здатність випромінювання плазмового струменя; s – постійна Стефана – Больцмана s=5,67·10^-8Вт/м²·К⁴.

Початкові значення Т_і, v_i´, S_і´, в рівнянні (38) є вихідними на початковій дільниці плазмового струменя і розраховуються з використанням системи рівнянь (30) – (33).

Середня швидкість плазмового струменя на виході із і-го елемента v_i´´ розраховується за формулою:

(39)

Таким чином, розрахунковим шляхом з використанням виведених рівнянь можна визначити температуру та швидкість плазмового струменя на різних відстанях від зрізу сопла плазмотрона. Це полегшує та підвищує точність розрахунку температури та швидкості частинок порошку, що напилюється.

При визначенні середніх температур та швидкостей частинок порошку, що напилюється, використовують рівняння нагріву та руху частинок в плазмовому струмені для і-го елемента об’єму, а також операційне перетворення Лапласа. Отримані вирази мають наступний вигляд:

(40)

де D`Т<sub>Ті</sub> – зміна середньої температури частки в і-му елементі, К; `Т_Т(і-1) – середня температура частки на вході в і-й елемент об’єму, К; Т_і – середня температура плазми в і-му елементі об’єму, К; Dх – довжина і-го елементу, м;

(41)

де d_T – діаметр частки порошку, м; С_Т – питома теплоємність часток в і-му елементі об’єму, Дж/(кг*К); r_Т – густина часток порошку, кг /м³; Nu – критерій Нуссельта; l_пл – теплопровідність плазми, Вт/(м*К);

(42)

де D`v<sub>Ті</sub> – зміна середньої швидкості часток, що вводяться в плазму, м/с; `v_Т(і-1) – середня швидкість часток на вході в і-й елемент об’єму, м/с; `v_і середня швидкість плазми в і-му елементі об’єму, м/с;

(43)

де h – коефіцієнт динамічної в’язкості газу, Па·с:

(44)

Рівняння (30) – (34), (40) – (44) в сукупності представляють собою модель двофазного плазмового струменя, що витікає у середовище з атмосферним тиском.

 

Лекція 1.2.7. Вплив дисперсного матеріалу на температурне, швидкісне, ентальпійне і концентраційне поля високо темпе-ратурного струменя.

Процеси в потоці газів і частинок.

Головними цільовими процесами, які відбуваються з частинками матеріалу у високотемпературному газовому потоці, є надання матеріалу напрямленого руху і його нагрівання (до температури плавлення і вище). Крім того, частинки дисперсної фази активно взаємодіють із навколишнім середовищем.

Прискорення частинок матеріалу. При газотермічних методах нанесення покриттів у просторі формується гетерофазний потік, тобто потік, в якому всередині газового середовища знаходиться дисперсна фаза – частинки матеріалу, який напилюється. Крім цих двох основних компонентів, у потоці можуть бути гази, які потрапили до нього з навколишнього середовища; компоненти, які спеціально введені для цілеспрямованого впливу на основу і матеріал, який напилюється і формується; продукти взаємодії матеріалу з несучим середовищем (пара, продукти сублімації, дисоціації, хімічних реакцій тощо).

Порошок подається у високотемпературний струмінь, як правило, в суміші з транспортувальним газом, функціональне призначення якого – створити газо-дисперсну суміш із максимально однорідним розподілом маси дисперсної фази в об'ємі газу і надати частинкам швидкості, достатньої для їх проникнення в найбільш нагріту, приосьову область струменя (рис. 7).

Найпоширенішими є дві схеми подачі порошку – аксіальна та радіальна.

За першою схемою напрямок подачі газодисперсної суміші збігається з напрямком руху потоку високотемпературного струменя (рис. 7, а). За другою схемою – напрямки не збігаються (рис. 7, б). Перша схема широко використовується при газополуменевому та детонаційному напиленні, друга – при плазмовому нанесенні покриттів.

Формування потоку частинок при розпиленні дроту здійснюється внаслідок плавлення високотемпературним потоком газу його торця і подрібнення об'єму розплаву, який утворюється, на дрібні частинки.

Частинка матеріалу, потрапляючи в потік газу, рухається під дією кількох сил. У загальному випадку рівняння руху частинок має вигляд:

(1)

У правій частині цього рівняння подана сума сил, які діють на частинку. Основною з них є сила аеродинамічного опору:

(2)

де С_а – коефіцієнт аеродинамічного опору; S_сер – середній переріз частинки; р_г – густина газу; w_г і w_ч – швидкості потоку газу і частинки матеріалу.

Крім F_а, на частинку матеріалу діють: F_т – сила, яка зумовлена градієнтом тиску в потоці; F_тж – сила тяжіння; F_і – сила, зумовлена інерцією об'єму газу, витісненого частинкою; F_тф – сила термофорезу, зумовлена наявністю температурного градієнта в потоці і напрямлена в бік зниження температури (залежить від режиму обтікання газу); F_пр – сила, яка характеризує прискорення шарів газу, що межують із поверхнею частинки; F_м – сила, зумовлена обертанням частинки завдяки градієнту швидкості потоку і напрямлена в бік підвищення швидкості (сила Магнуса); F_Б – сила, яка зумовлена нестаціонарністю процесу і залежить від характеру руху частинки за попередній відрізок часу (сила Бассе).