Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы 9
1.1 Методы газотермического напыления 9
1.2 Методы получения полых порошков 14
1.3 Применение полых порошков в газотермическом напылении 16
1.4 Поведение полых частиц в плазменной струе 21
1.5 Соударение полых капель Zr02 с основой в условиях плазменного напыления 25
2. Методы получения полых частиц в плазменной струе 33
2.1 Обработка агломерированных порошков 33
2.1.1 Характеристики полученных полых порошков 36
2.1.2 Прогнозирование размеров полых частиц при обработке агломерированных порошков 41
2.2 Обработка порошков субмикронного диапазона размеров 45
2.3 Обработка металлических порошков с высоким газосодержанием... 47
3. Численный анализ поведения полых частиц в плазменной струе ... 51
3.1 Численная модель поведения полой капли в плазменной струе 51
3.1.1 Расчет динамики и нагрева полой частицы 52
3.1.2 Определение температуры и массы частицы 55
3.1.3 Определение текущего размера частицы 56
3.1.4 Распределение температуры и скорости плазменной струи... 60
3.2 Результаты численного анализа 61
3.2.1 Некоторые общие выводы по результатам расчетов 61
3.2.2 Влияние расширения полых частиц Zr02 на их поведение в плазменной струе 65
3.2.3 Влияние морфологии частиц на их состояние в контрольном сечении струи 66
3.2.4 Эффективность межфазного теплопереноса 68
3.3 Нестационарное конвективное перемешивание плотных капель 70
4. Соударение полой капли с подложкой 77
4.1 Эксперименты по формированию сплэтов Zr02 77
4.2 Модельные эксперименты с полыми каплями глицерина 84
4.3 Численно-аналитическая модель и результаты расчетов 94
4.3.1 Основные положения модели 94
4.3.2 Апробация результатов теоретической модели 105
Выводы по главе 4 115
Заключение 116
Список литературы 117
Приложение 128
- Методы получения полых порошков
- Соударение полых капель Zr02 с основой в условиях плазменного напыления
- Прогнозирование размеров полых частиц при обработке агломерированных порошков
- Некоторые общие выводы по результатам расчетов
Введение к работе
Актуальность проблемы. В современной индустрии конструкционных и защитных материалов все более широкое применение получают порошки, состоящие из полых микрочастиц (полые порошки). Так, алюмосиликатные полые микросферы (ценосферы), образующиеся при сжигании твердого топлива на тепловых электростанциях, используются в качестве наполнителя при производстве композиционных материалов с тепло- и звукоизоляционными свойствами, легких строительных и тампонажных материалов, элементов плавучести, взрывчатых материалов и т.д. Полые микросферы представляют основу для катализаторов, адсорбентов, капсулирующих сред (в частности, для извлечения гелия из природного газа некриогенным методом). Однако различия в происхождении и условиях сжигания угля приводят к неоднородности состава и свойств получаемых полых порошков, в связи с чем представляет интерес получение полых микросфер с заданным химическим составом и механическими свойствами.
К другой высокотехнологичной области применения полых порошков относится газотермическое напыление (ГТН), в частности плазменное напыление термобарьерных покрытий, где использование полых порошков приводит к более интенсивному нагреву, равномерному распределению температуры по объему частиц, снижению количества непроплавленньтх частиц в плазменной струе. Это позволяет применять такие сравнительно низкотемпературные методы как высокоскоростное газопламенное и детонационное напыление для нанесения керамических покрытий. Применение полого порошка при нанесении покрытий из Zr02 позволяет вдвое снизить теплопроводность защитного слоя, а также полностью исключить наличие моноклинной фазы ZrC>2, которая снижает термомеханическую стабильность покрытий. Упомянутые преимущества полых керамических порошков позволяют увеличить рабочую температуру и
долговечность таких ответственных деталей, как лопатки газовых турбин и реактивных авиационных двигателей.
В условиях плазменного напыления материал инжектируется в высокотемпературную струю, где происходит плавление частиц (иногда химические или структурные изменения) и их ускорение в направлении подложки, в результате чего покрытие формируется в виде слоев отдельных растекшихся и затвердевших частиц - сплэтов. В настоящее время задача получения покрытия с заданными свойствами практически всегда решается методом проб и ошибок — подбором характеристик исходного материала, режима работы плазмотрона, дистанции напыления. Вычислительный эксперимент позволяет с удовлетворительной для практических целей точностью прогнозировать поведение частиц в запыленной плазменной струе, процесс деформации одиночных расплавленных частиц при их соударении с подложкой, однако определение прочности сцепления частиц с подложкой и предыдущим слоем покрытия представляет существенные трудности. В этой связи необходимы исследования гидродинамических, теплофизических и химических процессов, происходящих при столкновении капель расплава с основой.
Анализ публикаций, представленных в трудах международных конференций и в журналах, посвященных ГТН, показывает постоянное увеличение количества работ, в которых изучаются особенности использования полых порошков для нанесения покрытий. Большая часть из них направлена на исследование взаимодействия частиц с несущим потоком, а также сравнению характеристик покрытий, полученных из плотных и полых порошков. В то же время, проблеме формирования полых частиц, их поведения в высокотемпературном потоке и соударения с основой посвящены немногочисленные публикации. В связи с трудностями диагностики растекания полых капель при соударении с подложкой в условиях плазменного напыления (обусловленными малыми размерами,
большими скоростями), представляется актуальным проведение модельных физических экспериментов при полном контроле ключевых физических параметров взаимодействия (скорость, температура, диаметр полой капли, толщина ее оболочки, температура подложки) и разработка инженерно-физических моделей данного явления.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное изучение особенностей формирования, обработки и соударения с основой полых частиц в условиях плазменного напыления. Достижение цели обеспечивается решением следующих задач:
экспериментальное и теоретическое исследование закономерностей формирования полых частиц при обработке в плазменной струе порошков оксидов, металлов и сплавов, состоящих из агломерированных частиц и частиц с развитой поверхностью;
численный анализ поведения полых частиц в плазменной струе с учетом расширения их газовой полости, определение влияния данного эффекта на динамику нагрева и ускорения частиц;
экспериментальное изучение соударения полых частиц Zr02 с полированной металлической подложкой в условиях плазменного напыления;
создание модельной экспериментальной установки и изучение на ней процесса соударения полых капель с поверхностью в диапазоне чисел Рейнольдса и Вебера, характерном для плазменного напыления;
создание теоретической модели растекания полых капель, позволяющей прогнозировать конечные размеры частиц с учетом действия сил вязкости, поверхностного натяжения, а также затвердевания расплава.
Научная новизна работы отражена в следующих результатах: На основании проведенного анализа особенностей формирования полых частиц в плазменной струе выявлены закономерности этого процесса
и предложена модель, позволяющая прогнозировать характеристики получаемого порошка.
Впервые выполнен численный анализ поведения полых капель расплава в плазменной струе с учетом расширения газовой полости при нагревании.
Впервые создана модельная экспериментальная установка, позволяющая визуализировать процесс соударения полой капли с основой при числах Рейнольдса и Вебера, отвечающих условиям плазменного напыления, и проведен цикл модельных экспериментов.
Обнаружено новое явление - формирование кумулятивной струи при соударении полой капли с плоской поверхностью основы.
Разработана теоретическая модель растекания полых капель, позволяющая прогнозировать конечный размер частиц, которая удовлетворительно согласуется с экспериментом без введения эмпирических коэффициентов. Введен в рассмотрение новый параметр - число Эйлера, который определяет характер растекания полых капель.
Методы исследования и достоверность полученных результатов. Решение поставленных в диссертации задач осуществлялось методами экспериментальной физики, численного и аналитического моделирования. Достоверность полученных результатов не вызывает сомнений по следующим причинам:
в экспериментальных исследованиях применялись широко апробированные методы: высокоскоростная видеосъемка, трехцветовая пирометрия, времяпролетный метод;
результаты численного моделирования физически непротиворечивы, удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, а также результатами исследований других авторов (где это возможно);
основные результаты работы неоднократно докладывались и обсуждались на международных симпозиумах и конференциях.
Практическая ценность работы. Полученные результаты исследования особенностей и закономерностей формирования полых частиц позволяют целенаправленно изменять режимные параметры процесса обработки порошков с целью получения частиц с заданной морфологией. Обнаруженный эффект образования полых микросфер при обработке взвеси керамических частиц расширяет представления о механизмах формирования покрытия в условиях суспензионного плазменного напыления. Результаты экспериментального и теоретического исследования поведения полых частиц в плазменной струе и при соударении с основой имеют большое значение для проектирования и оптимизации процессов нанесения покрытий с использованием полых порошков.
Реализация результатов работы. Основные результаты
диссертационной работы получены в рамках Программы 6.5 ИТПМ СО РАН
на 2007-2009 гг. "Механика гетерогенных сред и нанотехнологии", проект
"Физико-химические основы формирования регулируемой микро- и
наноструктуры при создании перспективных порошковых материалов,
комбинированных покрытий и упрочненных поверхностных слоев";
Междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН №90 на 2006-2008
гг. "Научные основы создания многослойных наноструктурных покрытий и
интерфейсов в гетерогенных материалах для работы в полях экстремальных
внешних воздействий", Международного комплексного интеграционного
проекта 2.9 СО РАН - НАН Украины "Создание комбинированной
технологии детонационно-плазменного напыления нано- и
микрокомпозитных двухслойных защитных покрытий", Программы №8 Президиума РАН "Разработка методов получения новых химических веществ и создание новых материалов", проект 8.6 "Научные основы комбинированной технологии нанесения градиентных термобарьерных покрытий с нано- и микрокристаллической структурой холодным газодинамическим и плазменным напылением".
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на 18-м Международном симпозиуме по плазмохимии (Киото, Япония, 2007), 4-й и 5-й международных конференциях по динамике потоков (Сендай, Япония, 2007, 2008), Международной конференции по термическому напылению (Маастрихт, Нидерланды, 2008), 8-й и 9-й международных конференциях «Пленки и покрытия» (Санкт-Петербург, Россия, 2007, 2009), 10-й Международной конференции «Газоразрядная плазма и ее применения» (Томск, Россия, 2007), 3-й Всероссийской конференции «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине» (Новосибирск, Россия, 2009), 7-й Всероссийской конференции «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск, Россия, 2009), Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, Россия, 2009).
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору О.П. Солоненко за постоянное внимание к работе, полезные дискуссии при анализе результатов, а также сотрудникам лаборатории за помощь при проведении экспериментов.
Методы получения полых порошков
В настоящее время наибольшие объемы производства и наименьшую себестоимость полых керамических микросфер позволяет обеспечить переработка золошлаковых отходов тепловых электростанций, получаемых в результате сжигания каменного угля. Использование данного метода начато за рубежом в 60-х годах прошлого века, на сегодняшний день этот материал представляет собой полноценный коммерческий продукт. Вопросам получения, измерения термомеханических характеристик и применения ценосфер посвящено большое количество публикаций, проводятся крупные международные конференции соответствующей тематики [13-18]. Ценосферы характеризуются размером 5-500 мкм, преимущественным химическим составом Si02 (55-70%), А12Оз (20-40%), значительным содержанием (до 5%) оксидов железа, магния, кальция, калия и др., насыпной плотностью 0,3-0,8 г/см . Трудности, связанные с использованием данного продукта, обусловлены неоднородностью химического и минерально-фазового состава частиц, что приводит к варьированию прочностных, электромагнитных и других характеристик выделяемых сфер. Для того чтобы получить фракцию сфер примерно одинаковых свойств, приходится последовательно проводить магнитную сепарацию, гранулометрическую классификацию, гравитационное разделение и выделение перфорированных сфер [18]. Очевидно, что при необходимости получения материалов с уникальными прочностными, теплозащитными, каталитическими и другими свойствами данный метод неприемлем по причине ограниченного выбора химического состава сырья. Известным методом образования полых частиц микро- и наноразмера является темплатный (матричный) синтез, суть которого заключается в нанесении слоя необходимого материала на подготовленный (сферический) шаблон-матрицу и последующем удалении самой матрицы.
В качестве шаблона используются органические сферы, а также, в смежных технологиях, эмульсионные капли или газовые пузыри в объеме системы золь-гель, капли конденсата химического пара. Такими «химическими» способами могут быть получены частицы различных материалов: полимеров, Zr02, Si02, А120з, Fe2C 3, фосфатов и карбонатов кальция и т.д. [19-26], однако малая производительность, сложность процесса и высокая стоимость продукта, наличие большого количества загрязняющих отходов существенно ограничивают область применения таких материалов. Широкие возможности получения полых сфер заданного химического состава представляет использование плазменной обработки агломерированных порошков. Частицы таких порошков представляют гранулы, скрепленные посредством применения связующего вещества, спекания или другого метода. Образование полых сфер происходит вследствие плавления отдельных агломератов (начиная с поверхности частицы) и объединения газа, содержащегося в микропустотах, в единую полость. Диапазон размеров агломерированных частиц может варьироваться в широких пределах в зависимости от технологии их получения и вида материала, однако типичный диаметр агломератов, например, диоксида циркония, пригодных для обработки в струе электродугового плазмотрона составляет 50-150 мкм. На сегодняшний день на коммерческой основе доступны агломерированные порошки различных материалов: оксиды, металлы, сплавы, карбиды, нитриды, бориды и т.д. Плазменная обработка, например, агломерированного порошка ZrCh способна обеспечить производительность получения полых сфер 20-40 кг/час на отдельной установке, при этом себестоимость продукта увеличивается лишь на 3-5%. Использование полых порошков в газотермическом напылении, в первую очередь, связано с нанесением термобарьерных покрытий (ТБП) из диоксида циркония.
Такие покрытия широко применяются, кроме прочего, при производстве компонентов газовых турбин электростанций, в которых на сегодняшний день основными методами повышения эффективности является повышение входной температуры газа и рабочей температуры в камере сгорания. Возможности применяемых суперсплавов на основе никеля ограничиваются температурой, близкой к 1000 С, при которой материал теряет прочность и стойкость к окислению [27]. Лопатки современных газовых турбин работают при температурах около 1500 С, по этой причине ведутся непрерывные работы по оптимизации схем внутреннего охлаждения и нанесения термобарьерных покрытий [28]. Важнейшими требованиями, предъявляемыми к материалам таких покрытий, являются высокая температура плавления, отсутствие фазовых переходов в диапазоне температур от комнатной до рабочей, малая теплопроводность, химическая инертность, малое отличие коэффициента теплового расширения от такового для металлической основы, высокая адгезия, малая скорость спекания пористой микроструктуры.
Совсем немногие материалы удовлетворяют данным требованиям, и диоксид циркония является на сегодняшний день наиболее привлекательным, благодаря низкой теплопроводности, высокой прочности и вязкости разрушения, износостойкости [29]. Диоксид циркония существует в трех кристаллографических фазах: моноклинной, тетрагональной и кубической; фазовый переход низкотемпературной моноклинной фазы в тетрагональную происходит при температуре около 1000 С (наблюдается гистерезис) и сопровождается значительным изменением объема (-6,9%), что приводит к возникновению напряжений и раннему разрушению материала [30]. Добавка оксидов редкоземельных металлов, а также некоторых других, позволяет подавить образование моноклинной фазы. Наиболее широкое применение к настоящему времени получил диоксид циркония, стабилизированный 7-8% оксидом иттрия Y203 (Yttria Stabilized Zirconia, YSZ), благодаря сочетанию высокой стабильности и прочности. Дополнительное согласование коэффициентов термического расширения покрытия и основы, а также увеличение адгезионной прочности достигается нанесением промежуточного слоя металлического сплава MCrAlY, где М - металл кобальт Со, никель Ni или их сочетание. Для получения термобарьерных покрытий из YSZ сегодня используются порошки, частицы которых получены плавлением и дроблением компакта материала (Fused & Crashed, FC), агломерированием и
Соударение полых капель Zr02 с основой в условиях плазменного напыления
Проблема соударения полых капель расплава с основой в условиях плазменного напыления в настоящее время мало изучена как теоретически, так и в экспериментально. Одной из наиболее важных характеристик данного процесса является степень растекания частицы, равная отношению диаметра сплэта к начальному диаметру частицы DJ Dp. Степень растекания и форма сплэта, вообще говоря, зависят от многих факторов, однако в условиях плазменного напыления определяющую роль играют числа Рейнольдса Re = pDJJ plfi и, в меньшей степени, Вебера We = pDpUp/a, где U скорость соударения частицы с основой, p,/J-, r - плотность, динамическая вязкость и поверхностное натяжение расплава. Насколько известно автору, единственной работой, в которой представлены результаты экспериментов по формированию сплэтов полых частиц Zr02 при полном контроле ключевых физических параметров (КФП) - температура, скорость, размер частицы, температура основы, является публикация [48]. Определение параметров частиц перед соударением производилось по собственному излучению частицы времяпролетным и пирометрическим методами (подробно данный диагностический комплекс описан в четвертой главе настоящей диссертации). Характерные значения погрешности определения параметров частиц составляли: для скорости 3%, для температуры 3%, диаметра 10-20%. В работе представлена морфология тридцати сплэтов, полученных осаждением полых капель диоксида циркония различного размера (45-90 мкм), скорости (138-202 м/с) и температуры (2700-3640 К) на подложки из кварца и нержавеющей стали. Для сравнения растекания полых и плотных частиц авторы вводят в рассмотрение «эффективный диаметр» D ff - диаметр плотной частицы, имеющей эквивалентную массу. Степень растекания DJDpeff таких «эффективных» плотных частиц плохо согласуется с широко используемой формулой DJDp =1.29 Re02, предложенной в работе [49] (при расчетах было использовано значение вязкости жидкого ЪхОг // = 0.074Па -с). Наблюдается существенный разброс размеров сплэтов при одинаковых размерах и скоростях частиц, что, вероятно, связано с различной толщиной оболочки полых капель. Эксперименты по соударению плотных капель Zr02 освещены в литературе более подробно. Авторы работ [50-52] использовали два высокоскоростных двухцветовых пирометра: один - для определения параметров капли перед соударением, а второй - для наблюдения динамики растекания и остывания частицы после соударения. Было установлено, что в условиях эксперимента (средний размер частиц 40 мкм, средняя температура 3200
К, средняя скорость 180 м/с, температура стальной подложки ниже 100 С) скорость охлаждения расплава составляет порядка 108 К/с. Для обобщения экспериментальных результатов авторы использовали значение вязкости жидкого Zr02 // = 0.04Па-с, и пришли к выводу, что степень растекания частиц удовлетворительно описывается зависимостью Ds IDp = 0.83Re02, предложенной в работе [53]. В работе [54] описывается экспериментальное изучение процесса соударения плотных капель Zr02 с кварцевой подложкой в условиях плазменной струи, истекающей из гибридного (комбинация электродугового и ВЧ) плазмотрона. Принцип измерения параметров соударения капель с подложкой, также основан на применении двух пирометров, регистрирующих излучение частиц непосредственно перед соударением и во время растекания (рис. 5). Характерный диапазон параметров капель составил: диаметр - 30-100 мкм, скорость - 10-70 м/с, температура -2500-3700 К; температура подложки поддерживалась на уровне 600 К. Определение трехмерного профиля сплэтов с помощью лазерного профилографа и расчет их массы позволили повысить точность определения начального диаметра частиц. На основе регрессионного анализа экспериментальных данных авторами предложены следующие выражения для зависимости вязкости от температуры В работе [55] удалось произвести видеосъемку соударения с основой и растекания отдельной частицы YSZ (порошок 204NS, Sultzer Metco Inc.) в условиях плазменного напыления. Для этих целей была использована высокоскоростная видеокамера HPV-1 (Shimadzu Corp., Япония, 1 миллион кадров в секунду, размер кадра 312x260 пикселей, 1024 градаций серого), совмещенная с длиннофокусным микроскопом. На рис. 6 приведена кинограмма растекания частицы диоксида циркония: на первом кадре частица движется справа налево, на втором кадре происходит столкновение с основой. На третьем кадре происходит растекание и образуется разрыв на периферии диска. На четвертом кадре растекающийся слой отходит от поверхности подложки, но не теряет сплошности.
При этом центр частицы выглядит темнее, чем периферия, что говорит о высокой скорости охлаждения в этой области. На пятом кадре видно, что отошедший слой жидкости деформируется и на подложке закрепляется материал только в центральной области (шестой кадр). Необходимо отметить, что временной интервал между кадрами данной кинограммы превосходит втрое характерное время деформации частицы td- Dp/U_ ж 0.3 мкс, что не позволяет получить полноценное представление о процессе растекания. Тем не менее, при увеличении быстродействия ПЗС-камер еще на порядок, продемонстрированный подход способен стать одним из основных методов изучения процессов формирования отдельных сплэтов и покрытия в целом. Подробное теоретическое рассмотрение процесса растекания отдельных плотных капель с учетом конвективно-кондуктивного теплопереноса в объеме расплава (и подложки) представлено в работах [56, 57]. Согласно предложенному авторами подходу, взаимодействие частицы с основой может проходить по одному из четырех сценариев, в зависимости от температуры Тс, установившейся в контакте «капля-подложка». Наиболее распространенным в условиях плазменного напыления является случай одновременного растекания и затвердевания капли на твердой основе. При
Прогнозирование размеров полых частиц при обработке агломерированных порошков
Рассмотрим наиболее простой сценарий образования полой частицы, основанный на предположениях об открытом характере пористости исходных агломератов, их равномерном нагреве и отсутствии дезинтеграции. При попадании частицы - агломерата диаметра Dp0 в плазменную струю начинается интенсивный нагрев как самого материала, так и газа, находящегося в поровом пространстве (рис. 13). Расширяясь, газ покидает объем частицы, в то время как объем пор V {) остается неизменным. В момент, когда поверхность частицы достигает температуры плавления материала Тт, образуется жидкая оболочка, которая фиксирует массу захваченного газа mg. В дальнейшем газ, захваченный оболочкой объединяется в единую центральную полость, размер которой изменяется с температурой капли. Определим внешний диаметр капли D и относительную толщину оболочки частицы S , соответствующие температуре плавления материала Тт, т.е. фактически — конечные размеры частицы после охлаждения и кристаллизации. Если обозначить объемную пористость исходной частицы через р, то исходный объем пор в частице равен V 0-—D30- р, а масса захваченного газа при температуре частицы Тт равна mg - Vg0ps(Tm), где pg плотность газа. После образования жидкой оболочки и единой газовой полости, произойдет окончательная усадка жидкой капли под действием сил поверхностного натяжения. Диаметр частицы D и относительная толщина ее оболочки 5 определяются уравнением баланса сил на поверхности частицы при фиксированной температуре Тт: где Р , Р[ - давление в газовой полости и давление Лапласа (с учетом обеих поверхностей оболочки), соответствующие размерам частицы Dp и S , Рт— атмосферное давление. Подробно методика определения размера частиц описана в разделе 3.1, где данная процедура является частью моделирования поведения полой капли в плазменном потоке.
На рис. 14 представлены результаты расчетов в виде зависимости внешнего диаметра (а) и относительной толщины стенки полых частиц (б) от размера начального агломерата. Расчеты выполнены для частиц Zr02 различной начальной пористости, обработанных в воздушной атмосфере. Как можно видеть, внешний диаметр образованной полой капли D практически равен начальному размеру частицы-агломерата Dp0 (меньше на 2-10%), и фактически не зависит от пористости 0.4 п Рис. 14. Зависимость диаметра (а) и толщины оболочки (б) полой частицы от размера исходного агломерата Zr02. На рис. 15 представлены те же результаты в виде зависимости толщины оболочки частиц различного диаметра Dp от начальной пористости порошка. Видно, что в рассмотренном диапазоне размеров частиц толщина оболочки практически линейно убывает с ростом пористости. начальной пористости порошка. Графиками, изображенными на последних двух рисунках, следует пользоваться при выборе характеристик исходного порошка для получения полых частиц заданной морфологии. Рассмотрим влияние вида захваченного газа на размеры образованной полой капли. Давление Pg в замкнутой газовой полости объема Vg при фиксированной температуре Тт зависит от количества молей v захваченного газа: Pg =v RTmIV . Однако, согласно закону Авогадро, объем пор содержит одинаковое количество молекул, независимо от сорта газа в момент образования жидкой оболочки (при атмосферном давлении и температуре плавления материала). Этот вывод подтверждается расчетами с использованием табличных данных [63]. Сравнение результатов расчетов и измерений толщины оболочки полых сфер ZrC 2 представлено на рис. 16. При расчетах использовано значение пористости исходных агломератов р = 0.45. Можно заключить, что предложенная модель образования полых частиц удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными: среднеквадратическое отклонение составляет 18%, причем завышенные значения измеренных толщин могут быть связаны с присутствием в исследуемых порошках плотных частиц, либо осколков разрушенных частиц.
В последние несколько лет проявляется интерес к нанесению покрытий с использованием суспензий (Suspension plasma spraying): струя жидкости, содержащая частицы основного материала (порядка 100 нм) под давлением подается в плазменный поток [64, 65]. Нами впервые показано, что в таких условиях возможно образование полых частиц. Исходный порошок представляет собой кварцевое стекло, подвернутое механической обработке в энергонапряженной планетарной шаровой мельнице. Внешний вид исходного порошка представлен на рис. 17: субмикронные частицы образуют агломераты размером 20-30 мкм. При введении данного порошка в жидкость, агломераты распадаются на отдельные частицы. Измерения методом БЭТ показали, что удельная поверхность данного порошка составляет Svd = 22.72 м2/г, что соответствует Рис. 17. Внешний вид исходного порошка Si02. диаметру сферических частиц ПО нм. Ввести подобный порошок в высокотемпературную и высокоскоростную зону плазменной струи традиционным методом (через инжекторы с помощью транспортирующего газа) невозможно: малая масса частиц не позволяет им проникнуть в область высокого давления, кроме того, высокая удельная поверхность порошка делает его
Некоторые общие выводы по результатам расчетов
Обратимся к результатам моделирования поведения одиночных частиц Zr02 в плазменных струях, отвечающих типичным режимам работы плазматрона МЭВ-50. Рассмотрим движение полых частиц диаметром Dp0 =50,100мкм и толщиной оболочки Sp0=0.l, а также плотных частицы эквивалентной массы, диаметры которых определяется выражением изменение скорости и температуры частиц вдоль оси струи для трех режимов, представленных в таблице 2 (мощность РТ = 19А, 25.9, 41.3 кВт). При малой мощности плазмотрона (19.4 кВт) полая частица диаметром 50 мкм полностью расплавляется и нагревается до температуры почти 3700 К, в то время как максимальная температура эквивалентной плотной частицы почти на 400 К ниже. При этом, время пребывания частиц в полностью расплавленном состоянии практически одинаково (0.6 мс), но расстояние, пройденное за указанное время, у полой частицы больше за счет Максимальная температура нагрева капель Тртах существенно зависит от толщины оболочки: для частицы с 8р = 0.2 она составляет Г х = 3400К, а для частицы с 8 = 0.05 - Тртак = 4573К (температура кипения). Диаметр частицы с толщиной оболочки 8р = 0.05 изменяется в пределах 48-58 мкм, т.е. амплитуда изменения размера составляет порядка 20% от начального диаметра. Для этой же частицы изменение толщины оболочки составляет около 50% от начального значения. Необходимо заключить, что, при прочих равных условиях, частицы с меньшей толщиной оболочки претерпевают большее изменение размера. На рис. 25 представлены изменения скорости и температуры полых частиц Zr02 начального диаметра 50 мкм, рассчитанные с учетом расширения газовой полости (серые графики) и без такового (черные графики). Можно видеть, что учет расширения газовой полости приводит к некоторому повышению скорости частиц и снижению их температуры, однако масштаб таких изменений составляет единицы процентов.
Различия в поведении полых частиц с толщиной оболочки д 0 =0.1, составляют 6% по скорости и 2% по температуре, в то время как, для частиц с относительной толщиной оболочки 5р0 = 0.2 данные различия пренебрежимо малы. Более существенные различия скорости и температуры (10% и 4%, соответственно) для частиц с толщиной оболочки S 0 = 0.05 связаны с существенной потерей массы ( 40%). Аналогичные расчеты для диапазона размеров частиц 20-100 мкм и режимов работы плазмотрона, отвечающих диапазону мощностей Рт =19.4-41.3кВт, показали, что изменение размеров капель ZrC 2 в плазменной струе слабо влияет на скорость и температуру частиц в типичных условиях обработки порошка, т.е. когда не происходит существенного испарения частиц. Как было показано выше, частицы материала могут терять существенную долю массы вследствие испарения в высокотемпературной области струи. По этой причине следует ограничивать мощность плазмотрона. С другой стороны, в процессе нанесения покрытия необходимо, чтобы частицы материала находились в полностью расплавленном состоянии на дистанции напыления, где температура плазмы может быть существенно ниже начальной температуры. Во избежание затвердевания частиц после их выхода из высокотемпературной области может потребоваться повышение мощности плазмотрона.
В реальных условиях напыления для оптимизации процесса возможно изменение расхода плазмообразующего газа, диаметра сопла, параметров инжекции и т.д. В качестве иллюстрации, рассмотрим совместное влияние размера полых сфер и мощности плазмотрона при расходе рабочего газа (воздух) GAir = 0.75 г/с и выходном диаметре сопла d0 = 8 мм на состояние частиц в контрольном сечении, которое находится за пределами высокотемпературной области. Для сравнения используем размеры частиц, соответствующие средним параметрам фракций реального порошка: Dp - 49 мкм, Sp = 0.22; Dp = 60мкм, Sp=0,\9; Dp=85 мкм, Sp = 0.18. Контрольное сечение выберем на расстоянии 15 калибров (12см) от среза сопла, что соответствует условиям
