Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
При рівних об’ємних витратах плазмоутворювального газу та рівній питомій енергії швидкісний напір визначається добутком . Плазма продуктів горіння вуглеводневих газів за цим показником займає проміжнє положення між високошвидкісною аргоновою і аргоноводневою сумішшю та низькошвидкісними плазмами і .
Крім розглянутих вище властивостей плазмового факела, важливим є його склад залежно від температури і ступеня взаємодії з атмосферним повітрям. Типово нейтральні за природою плазми Ar або завжди будуть окислювальними через інжекцію кисню із атмосфери.
Плазма продуктів горіння, шляхом зміни співідношення між горючим компонентом вихідної плазмоутворювальної суміші та окислювачем, дозволяє змінювати довжину відновлювальної ділянки струменя, в якому здійснюється нагрівання та прискорення матеріалу.
Струмінь, який генерується плазмотронами, суттєво 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, такий рух називається ламінарним. Коли рух частинок газу стає хаотичним, виникають нерівномірні пульсації швидкості у поздовжному та поперечному напрямку, така течія носить назву турбулентна. Величиною, що визначає зміну структури потоку, є число Рейнольдса:
, (3.13)
де w – швидкість потоку газу; d – розмір, характерний для даного руху (діаметр сопла розпилювача); – 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 цікаві 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.
З точки зору обробки матеріалу, при напиленні турбулентність струменя може спричиняти розсіюванню частинок дисперсної фази і переміщенню їх із периферійних областей ближче до осі і навпаки. 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.
На рис.3.12, як приклад, наведені профілі температури та швидкості реального плазмового струменя плазмотрона, в якому в якості плазмоутворювального газу використовується суміш повітря з метаном.
Рис.3.12. Профілі температур Т та швидкостей w плазмового струменя для двох діаметрів дугового канала
Головними цільовими процесами, які відбуваються з частинками матеріалу у високотемпературному газовому потоці, є надання матеріалу спрямованого 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, у якому всередині газового середовища знаходиться дисперсна фаза – частинки матеріалу, який напилюється. Окрім цих двох основних компонентів, у потоці можуть бути гази, які потрапили до нього із навколишнього середовища; компоненти, які спеціально введені для цілеспрямованого впливу на основу і матеріал, який напилюється і формується; продукти взаємодії матеріалу із несучим середовищем (пара, продукти сублімації, дисоціації, хімічних реакцій тощо).
Порошок у високотемпературний струмінь подається, як правило, в суміші із транспортуючим газом, функціональне призначення якого – створити газодисперсну суміш із максимально однорідним розподілом маси дисперсної фази в об’ємі газу і надати частинкам швидкості, достатньої для їх проникнення у найбільш нагріту, приосьову область струменя (рис.3.13).
Рис. 3.13. Схема аксиального (а) і радіального (б) завантаження потоку дисперсною фазою: – діаметр сопла розпилювача; – радіус поперечного перерізу потоку газу на визначеній дистанції; – швидкість газу; – початкова швидкість частинок
Найпоширенішими є дві схеми подавання порошку – аксіальна та радіальна.
За першою схемою напрямок подавання газодисперсної суміші співпадає із напрямком руху потоку високотемпературного струменя (рис.3.13, а).
За другою схемою – напрямки не співпадають (рис.3.13, б). Перша схема широко використовується при газополуменевому та детонаційному напиленні. Друга – при плазмовому нанесенні покриттів.
Формування потоку частинок при розпиленні дроту здійснюється в результаті 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 ряду сил. У загальному випадку рівняння руху частинок має вигляд:
. (3.14)
У правій частині цього рівняння подана сума сил, які діють на частинку. Основною з них є сила аеродинамічного опору:
, (3.15)
де – коефіцієнт аеродинамічного опору; – середній переріз частинки; – густина газу; – швидкість, відповідно потоку газу і частинки матеріалу.
Крім на частинку матеріалу діють: – сила, яка обумовлена градієнтом тиску в потоці; – сила тяжіння; – сила, яка обумовлена інерцією об’єму газу, який витіснений частинкою; – сила термофорезу, яка обумовлена наявністю температурного градієнта в потоці і напрямлена в бік зниження температури (залежить від режиму обтікання газу); – сила, яка відбиває прискорення шарів газу, що межують із поверхнею частинки; – сила, яка обумовлена обертанням частинки завдяки градієнту швидкості потоку і напрямлена в бік підвищення швидкості (сила Магнуса); – сила, яка обумовлена нестаціонарністю процесу і залежить від характеру руху частинки за попередній відрізок часу (сила Басее).
Крім названих, на частинку, в загальному випадку, діють сили тиску світла, сили, які обумовлені пульсаціями і дифузією газових компонентів, електростатичні сили (кулонівської взаємодії іонів із частинкою матеріалу).
є основною силою, яка діє на частинку матеріалу, і точне її визначення залежить від точності визначення коефіцієнта аеродинамічного опору . Значення залежить від умов обтікання тіла газом. При появі ефектів розрідженості газу зменшується, що враховується введенням поправочного коефіцієнта : . Випаровування частинок теж змінює коефіцієнт аеродинамічного опору, що теж враховується відповідною поправкою.
У найпростішому випадку, якщо вважати частинки сферичними, завантаження потоку – рівномірним, за відсутності впливу дисперсної фази на термодинамічні і теплофізичні властивості газової фази та взаємодії між частинками і випаровування частинок, а також вважати постійними , тоді означену ситуацію можна розглянути таким чином.
Рівняння руху частинки порошку в потоці високотемпературного газу:
, (3.16)
де z – шлях, який пройдений частинкою, м. Якщо вважати, що , тоді вираз спрощується:
. (3.17)
Після інтегрування (3.17) отримаємо:
, (3.18)
або при :
. (3.19)
Прискорюючи частинки дисперсної фази, несучий потік віддає їм частину енергії. Виходячи із закону збереження кількості руху і нехтуючи втратами на тертя між газом і частинками, а також втратою тиску в каналі або потоці, куди був інжектований матеріал, можна записати:
, (3.20)
де – маса газу, яка припадає на одну частинку дисперсної фази.
Враховуючи, що і передбачаючи і постійними, (3.20) можна записати як:
, (3.21)
а з урахуванням (3.17) рівняння (3.21) можна перетворити таким чином:
. (3.22)
Якщо підставити у (3.22) із (3.19), після інтегрування при постійних і отримаємо:
, (3.23)
при z = 0 і , вираз (3.23) набуває вигляду:
, (3.24)
де – швидкість газу в перерізі введення порошку у потік, м / с.
Графіки залежності швидкостей газу і частинок від відстані, побудовані за формулами (3.19) і (3.24) наведені на рис.3.14.
Рис. 3.14. Залежність швидкості газу і частинок від відстані z
Спочатку швидкість частинок зростає пропорційно кореню від відстані, яку пройшла частинка, але після того, як стане рівною , швидкість зменшується за експонентою.
Рівняння (3.24) встановлює також залежність відношення швидкості потоку газу до початкової швидкості від ступеня завантаження потоку k, співвідношення густини газу і частинок , дисперсності матеріалу, його аеродинамічних властивостей і шляху z, який пройдений у потоці дисперсним матеріалом.
Як приклад, на рис. 3.15 наведена залежність осьової швидкості газу в потоці аргонової плазми від ступеня двофазності потоку (, де і відповідно масова витрата порошку і газу через деякий переріз потоку).
Рис. 3.15. Залежність осьової швидкості газу в потоці аргонової плазми від ступеня двофазності (): 1 – потужність 10 кВт (теорія та експеримент); 2, 3 – потужність 15 кВт (теорія (3) та експеримент (2)); – відповідно швидкість газу на осі однофазного потоку і осьова швидкість газу в присутності частинок
Струмінь, завантажений дисперсною фазою, має менший кут розкриття і більшу дальнобійність, ніж незавантажений струмінь, який генерується в аналогічних умовах. Цей факт пояснюється тим, що при введенні дисперсної фази в потік пригнічуються поперечні пульсації швидкості, які відповідальні за розширення струменя.
Розширення завантаженого струменя може бути подане рівнянням:
, (3.25)
де похідна відповідає розширенню швидкісного профілю не завантаженого струменя, а – локальному співвідношенню витрат дисперсної і газової фаз.
Приблизно розподіл дисперсної фази по перерізу струменя можна подати рівнянням:
, (3.26)
де z, відповідно осьова, r – радіальна координати у струмені; – радіус половинного завантаження струменя.
До сказаного слід ще додати, що введення дисперсного матеріалу у високотемпературний струмінь приводить до зміни ступеня іонізації в струмені, збільшення концентрації елементів внаслідок їх емісії з поверхні частинок, а також до електризації частинок матеріалу.
Нагрівання матеріалу у високотемпературному газовому потоці. Можливі дві стадії теплових процесів, які проходять із частинкою дисперсної фази в потоці. Ці стадії відрізняються спрямуванням процесу. На початковій стадії обробки матеріалу іде нагрівання його потоком. Із часом, у міру руху частинок у потоці, ситуація може змінюватися на протилежну. Це відбувається у випадку потрапляння частинок у холодну периферійну область потоку, а також по мірі віддалення частинок від зрізу сопла в тих областях потоку, де температура газу стає нижче за температуру матеріалу частинки.
Теплообмін між частинкою і несучим потоком газу, в загальному випадку здійснюється теплопровідністю, конвекцією і випромінюванням. Він залежить від характеру руху газу, його властивостей, температурного поля, а також геометричних характеристик частинок. Навіть тоді, коли частинка ще залишається твердою, можуть з’явитися додаткові канали теплообміну: хімічні реакції між компонентами газового середовища і матеріалом, що нагрівається, процеси сублімації, адсорбції-десорбції і випаровування, електронної емісії. В об’ємі можуть виникати додаткові джерела або стоки, які пов’язані із міжфазною взаємодією. Це особливо суттєво для композиційних матеріалів.
Після переходу в розплавлений стан до вказаних явищ додаються процеси, які проходять в об’ємі частинки і пов’язані із взаємодією компонентів газового середовища з розплавом (хімічні реакції, розчинення, газовиділення).
Після плавлення посилюється в тепло- масообміні роль процесів випаровування, а також явищ, які пов’язані з електронною емісією. Таким чином, при детальному розгляді теплообміну матеріалу, який напилюється, з потоком у тепловому балансі треба враховувати існування джерел тепла в об’ємі і на поверхні частинок, а також наявність процесів, які повертають частину енергії в потік.
Теплопровідність – це процес перенесення теплоти в твердому тілі, нерухомих рідині і газі. Конвекція є процесом передавання теплоти завдяки руху рідини чи газу. Променистий теплообмін (передавання тепла випромінюванням) – процес передавання тепла від одного тіла другому, який проходить у три стадії: перетворення частини внутрішньої енергії одного з тіл в енергію електромагнітних хвиль, поширення електромагнітних хвиль у просторі і поглинання енергії випромінювання іншим тілом.
У реальних процесах теплообміну зазвичай мають місце два або всі три види передачі тепла, що діють одночасно.
Так, наприклад, теплообмін між частинкою матеріалу і струменем високотемпературного газу відбувається одночасно через теплопровідність і конвекцію. У нагріванні каналу сопла плазмового розпилювача стовпом дуги беруть участь одночасно всі три види теплопередачі.
Сукупність будь-яких двох або всіх трьох видів переносу теплоти називають складним теплообміном. Комплексне вивчення закономірностей складного теплообміну викликає досить великі складнощі. Ці труднощі допомагає вирішити теорія подоби, застосування якої дозволяє якісно оцінювати особливості теплообміну у високотемпературному газовому струмені.
У теорії подоби розмірні фізичні величини поєднують у безрозмірні комплекси, причому так, що число комплексів стає менше числа величин, з яких складені ці комплекси. Отримані безрозмірні комплекси розглядають як нові змінні, що відображають вплив не тільки окремих факторів, але й їхньої сукупності. Це дає можливість легше визначати фізичні зв’язки у процесі, який досліджується. Такі безрозмірні комплекси називаються числами (критеріями) подоби. Їм привласнені імена вчених, які зробили великий внесок у розвиток гідродинаміки і теплопередачі.
Для опису процесів теплопередачі і прискорення частинок у високотемпературному потоці використовують такі критерії:
Число Рейнольдса (Re) визначає характер руху газу. Для заданого випадку обтікання газом тіла, що нагрівається, рух газу залишається ламінарним, доки число Рейнольдса менше визначеної величини. Перехід режиму руху газу у турбулентний характеризується підвищеним значенням числа Рейнольдса. У проміжку між цими значеннями чисел Рейнольдса – режим перехідний від ламінарного до турбулентного, тобто за своїм характером нестійкий.
Відношення швидкості газового потоку до швидкості звуку в цій же точці називають числом Маха (М). Число Маха характеризує відношення кінетичної енергії потоку газу до його ентальпії. Як вже згадувалося вище, число Маха може змінюватися від нуля до нескінченності. Якщо М < 1, то потік називають дозвуковим, якщо М = 1 – звуковим і якщо М > 1 – надзвуковим.
Критерій Прандтля (критерій подібності температурних і швидкісних полів):
,
де – коефіцієнт кінематичної в’язкості, ; а – коефіцієнт температуропровідності, .
На процес теплообміну між газом і твердим тілом впливає ступінь розрідженості газу (характер обтікання твердого тіла). Ступінь розрідженості газового потоку характеризується числом Кнудсена (відношення середньої довжини вільного пробігу частинок газу до характерного розміру твердого тіла ):
.
При газотермічному порошковому напиленні за величину приймають діаметр частинок d.
Відрізняють континуальний і неконтинуальний режими обтікання. У свою чергу, при неконтинуальному обтіканні тіла газом виділяють течії: із ковзанням, перехідну і вільномолекулярну.
При континуальному режимі обтікання довжина вільного пробігу молекул газу значно менше від характерного розміру тіла, тому при розгляді теплообміну газ вважається суцільним. Однак при малих абсолютних тисках і низькій густині газу, а також при малих розмірах частинок матеріалу, які беруть участь у теплообміні з газом, газ вже не може розглядатися у вигляді безперервного, суцільного середовища (континууму). Виникають явища, які можуть бути пояснені лише на основі газокінетичної теорії.
Вплив розрідженості при газотермічному напиленні може виявлятися не тільки при зниженому тиску, але й при атмосферному, і навіть підвищеному. Це, по-перше, пов’язане із наявністю високотемпературних областей газу, де густина його значно знижується, а, по-друге, ефекти розрідженості можуть з’являтися і внаслідок малого розміру частинок або його зменшення при напиленні внаслідок випаровування, диспергування, абляції тощо.
Для ідеального газу критерій Кнудсена може бути поданий функцією від числа Маха (М), критерію Рейнольдса (Re) і показника (відношення питомих теплоємкостей при постійному тиску та об’ємі відповідно):
.
Використовуючи вказані критерії, режим обтікання частинок газом при напиленні можна класифікувати таким чином:
– континуальний: , ;
– iз ковзанням: , ;
– перехідний: , ;
– вільномолекулярний: , .
Безрозмірний комплекс:
називають числом Нуссельта або безрозмірним коефіцієнтом тепловіддачі, де – коефіцієнт тепловіддачі; – теплопровідність газу (чи рідини); – визначальний лінійний розмір; при нагріванні дроту (поперечне обдування циліндра) або частинки (сфери) характерним розміром є їх діаметр .
Число Нуссельта характеризує інтенсивність теплообміну на межі “тверде тіло-газ (чи рідина)”. Чим інтенсивніше відбувається теплообмін, тим більше величина числа Nu і тим більше коефіцієнт тепловіддачі . Визначальним вважається розмір, яким у конкретному випадку визначається процес теплообміну. Це величина постійна і не залежить від інших змінних, тобто не є їх функцією. Наприклад, при нагріванні порошку в високотемпературному газовому потоці за визначальний розмір приймають діаметр частинок, що напилюються.
Для вимушеного конвективного теплообміну тіл із потоком газу існують критеріальні залежності:
;
;
,
де Nu, Re, Pr, – критерії Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля відповідно.
Значення коефіцієнтів , А, В, С, m, n встановлюються емпірично.
У тих випадках, коли нагрівання порошку визначається в основному конвекцією і теплопровідністю (), і його значення визначається умовами обтікання. При континуальному режимі обтікання значення . За наявності ефектів розрідженості газу .
Важливою величиною, що визначає характер процесу теплопередачі на межі розділу „тверде тіло – газ” є число Біо. Це відношення внутрішнього термічного опору процесу теплопровідності твердого тіла до зовнішнього термічного опору тепловіддачі:
,
де – коефіцієнт теплопровідності твердого тіла; – теплова провідність твердого тіла; – тепловий чи термічний опір. Термічний опір дає величину спаду температури твердого тіла на одиницю густини теплового потоку.
Число Біо істотно відрізняється від числа Нуссельта, незважаючи на зовнішню подібність у записі. До числа Біо входить коефіцієнт теплопровідності твердого тіла, а у число Нуссельта – коефіцієнт теплопровідності газу.
Критерій Біо дозволяє провести аналіз нагрівання порошку у високотемпературному газі і виявити стадії, що лімітують ефективність цього процесу. Для сферичних частинок діаметром d критерій Біо:
.
Наприклад, якщо прийняти частинки, що напилюються, за кульки діаметром мкм, можна оцінити критерій Біо нагрівання порошків у плазмі газів, які зазвичай застосовуються при нанесенні покриття (табл. 3.2).
Для плазми з низькими переносними властивостями, тобто низьким коефіцієнтом тепловіддачі від плазми до частинки , як правило, . Це значить, що в плазмі аргону, азоту (а також гелію) теплопередача лімітується підведенням тепла до частинки з плазмового струменю. Суттєво змінюється процес нагрівання у плазмі водню або аміаку. При напиленні низькотеплопровідних матеріалів плазмою цих газів значення критерію Біо стає більше одиниці (Ві > 1) і теплопередача лімітується відведенням тепла углиб частинки.
Таблиця 3.2. Критерій Біо при нагріванні порошку у плазмі різних газів
|
Матеріал порошку |
Коефіцієнт теплопровідності матеріалу порошку |
Критерій Bi у плазмі різних газів |
|||
|
Ar |
|||||
|
Оксид цирконію () |
2,39 |
0,18 |
0,63 |
3,5 |
5,5 |
|
Оксид алюмінію () |
5,86 |
0,07 |
0,26 |
1,4 |
2,2 |
|
Оксид магнію (MgO) |
5,86 |
0,07 |
0,26 |
1,4 |
2,2 |
|
Нітрид бора (BN) |
9,2 |
0,05 |
0,16 |
0,9 |
1,4 |
|
Карбід кремнію (SiС) |
41,90 |
0,01 |
0,04 |
0,2 |
0,3 |
|
Титан (Ti) |
18,00 |
0,02 |
0.08 |
0,5 |
0,7 |
|
Залізо (Fe) |
40,00 |
0,01 |
0,04 |
0,2 |
0,3 |
|
Вольфрам (W) |
100,00 |
0,004 |
0,015 |
0,08 |
0,1 |
Примітка: при розрахунках прийнято Nu = 2; середньомасова температура плазми: 10000 К для аргону, 5000 К для азоту; 3500 К для водню і аміаку. Величина коефіцієнта теплопровідності матеріалу порошку прийнята для температури, що дорівнює половині температури плавлення його матеріалу.
При теплообміні в континуальному режимі обтікання за основу береться ньютонівська модель тепловіддачі, згідно з якою кількість теплоти, яка переноситься за одиницю часу до одиниці площі тіла, визначається виразом для малого температурного напору, а за наявності ефектів дисоціації або іонізації – виразом: де і – відповідно температурний і ентальпійний напори в пограничному шарі; – коефіцієнт тепловіддачі, .
У загальному випадку коефіцієнт тепловіддачі є складною функцією. Він залежить від форми поверхні тіла F, його розмірів , температури , а також властивостей потоку газу – швидкості , характеру його течії (турбулентна чи ламінарна), температури , теплопровідності , теплоємності при постійному тиску , густини , в’язкості та інших параметрів:
.
Якщо припустити, що частинки порошку сферичні і мають однаковий діаметр; розподіл частинок по перерізу потоку рівномірний; температура частинки змінюється одночасно по всьому об’єму; частинки не взаємодіють між собою; присутність частинки в потоці не впливає на термодинамічні та теплофізичні властивості газу; випаровування матеріалу частинок відсутнє; розподіл температури і швидкості високотемпературного потоку в місці введення порошку такий самий, як і на відстані в однофазному потоці – із умови балансу потоків тепла від газового струменя до частинки порошку можна отримати диференційне рівняння нагрівання частинки в потоці:
, (3.27)
де – швидкість частинки, м/с; – температура поверхні частинки, К; – коефіцієнт тепловіддачі від газу до частинки; – теплоємність матеріалу частинки; – густина матеріалу частинки, .
Якщо прийняти , можна записати (3.27) як:
, (3.28)
Після інтегрування (3.28) із урахуванням :
, (3.29)
де – коефіцієнт опору частинки; – швидкість газу.
Тоді:
(при ), (3.30)
де – початкова температура частинки.
Якщо температуру частинок і газу відраховувати від температури навколишнього середовища (), тоді:
. (3.31)
Рівняння (3.31) в першому наближенні описує нагрівання частинки при її русі в потоці. На рис.3.16 показана схема нагрівання металевої частинки при переході її із твердого стану до рідкого.
Рис. 3.16. Схема нагрівання металевої частинки при переході її із твердого стану до рідкого: – початкова температура і температура плавлення відповідно; – час початку плавлення і повного розплавлення частинки
Якщо вважати, що зменшення температури газу в присутності частинок обумовлене тільки перенесенням тепла від газу до частинок, рівняння теплового балансу для двофазного потоку в цьому випадку можна записати у вигляді:
, (3.32)
де – маса частинки; – маса газу, яка приходиться на одну частинку; Н – ентальпія газу, Дж.
Якщо прийняти, що ;, де – середня теплоємність газу при постійному тиску; – відповідно масові витрати порошку та газу, із (3.32) отримаємо:
, (3.33)
Інтегруючи (3.33) з урахуванням (3.28) після перетворень, отримаємо:
, (3.34)
Перетворюючи (3.34), отримаємо:
, (3.35)
де при ; – початкова температура газу.
Рівняння (3.35) визначає зменшення температури газу у двофазному потоці, при відбиранні тепла дисперсною фазою на початковій ділянці нагрівання і прискорення частинок. Як приклад, на рис. 3.17 наведена залежність надлишкової температури в потоці аргонової плазми від ступеня двофазності при умовах, аналогічних умовам рис. 3.15.
Рис. 3.17. Залежність осьової надлишкової температури в потоці аргонової плазми від ступеня двофазності (): 1 – експериментальна, 2 – теоретична крива; – відповідно температура газу на осі однофазного потоку і того ж самого потоку в присутності частинок
При напилюванні двофазність потоку визначається коефіцієнтом , де – масова витрата порошку через деякий перетин потоку; – масова витрата плазмоутворювального газу. Величина k при нанесенні покриття плазмою зазвичай не перевищує 5.
Коректний аналіз теплообміну частинки з високотемпературним газом у перехідному і вільномолекулярному режимах базується на розв’язанні рівняння Больцмана для функції розподілу молекул за швидкостями.
Особливість взаємодії частинок матеріалу з плазмою полягає в тому, що в газі поряд з нейтральними молекулами наявні заряджені частинки – електрони і іони. В цьому випадку загальний тепловий потік є сумою, в яку вносить внесок кожна із вказаних компонент.
При низьких температурах (для аргону < 7000 К) перенесення тепла буде здійснюватися переважно за рахунок атомної компоненти газу, водночас, при більш високих температурах (для аргонової плазми при > К) і, відповідно, більшому ступені іонізації, перенесення тепла електронами та іонами відіграє визначальну роль.
Нагрів порошкових частинок до температури їх розплавлення у високошвидкісних джерелах тепла являє собою серйозні труднощі, оскільки час нагрівання частинок у процесі їх переносу складає соті і тисячні долі секунди.
Для оцінки ступеню проплавлення порошкових частинок розраховують параметр труднощі плавлення матеріалу D:
,
де – вагова ентальпія матеріалу розплавлених частинок; – питомий ваговий екзотермічний ефект взаємодії в об’ємі частинки; – ступень використання екзотермічного ефекту при нагріванні частинки; – густина матеріалу частинки; – критерій Біо, який враховує теплофізичні властивості матеріалу частинки і джерела тепла у процесі теплообміну.
При відсутності чи малості екзотермічного теплового ефекту і значеннях < 0,2:
,
де – об’ємна питома ентальпія розплавленої частинки при ; – еквівалентна теплоємність матеріалу частинки.
У табл. 3.3 наведені значення D – параметра трудності плавлення матеріалів різних груп. Найбільш високі значення параметра трудності плавлення характерні для матеріалів, які мають високу температуру плавлення, теплоємність і теплоту плавлення. Порошкові частинки з малою густиною мають високі швидкості у потоці, тому нагріваються недостатньо (TiC, MgO та ін.).
Слабке прогрівання частинок спостерігається при напилюванні матеріалів з малою теплопровідністю (наприклад, оксиду цирконію). При взаємодії частинок з поверхнею напилення важливу роль відіграє показник акумуляції теплоти частинкою, а також її здатності передачі тепла при контактуванні частинки з поверхнею. Коефіцієнт акумуляції визначають з виразу:
,
де – теплоємність, густина і теплопровідність матеріалу частинки.
Найбільші значення b забезпечують високу температуру при контактуванні частинок з поверхнею і, відповідно, більш сприятливі умови для протікання топохімічної реакції. Значення b деяких матеріалів також наведені у таблиці.
Поряд з повним проплавленням частинок на всю глибину у формуванні покриття беруть участь частинки, які знаходяться в твердо-рідкому стані.
Неповне розплавлення найбільш характерне для плакованих чи конгломерованих композиційних порошкових частинок. Наприклад, e композиційному порошку WC-Ni чи BN-Al розплавляється легкоплавкий компонент (Ni, Al). Поверхневе оплавлення характерне також для крупних порошкових частинок з малими значеннями теплопровідності.
Таблиця 3.3. Температура плавлення Тпл, густина ρ, параметр трудності плавлення D і коефіцієнт акумуляції тепла b деяких порошкових матеріалів
|
Матеріал |
, |
, г/ |
D, кДж/(кг·) |
b, Вт·/(·К) |
|
Al |
660,5 |
2,71 |
9,664 |
236 |
|
Ti |
1668 |
4,5 |
1,310 |
83 |
|
Fe |
1538 |
7,86 |
2,081 |
108 |
|
Mo |
2617 |
10,20 |
1,554 |
190 |
|
TiC |
3140 |
4,9 |
9,96 |
140 |
|
2980 |
4,5 |
10,75 |
137 |
|
|
WC |
2776 |
15,8 |
2,10 |
105 |
|
2054 |
3,97 |
6,88 |
56 |
|
|
2690 |
6,27 |
4,16 |
31 |
Ефективність нагрівання при Ві < 1 варто підвищувати за допомогою збільшення часу перебування частинок порошку в зоні нагрівання () і інтенсифікації теплообміну. Інтенсифікувати теплообмін можна збільшенням температури плазми і підвищенням коефіцієнта її тепловіддачі (наприклад введенням у плазму добавок водню). У випадку Ві >1 основним фактором підвищення ефективності є збільшення часу перебування частинок у плазмі.
Суттєвий вплив на теплообмін при газотермічному напиленні мають процеси випаровування, які можуть виникати на поверхні частинок при їх нагріванні, а також хімічні реакції на поверхні частинок і в пограничному шарі навколо них.
При інтенсивних теплових потоках випаровування матеріалу частинок може початися ще до досягнення ними температури кипіння. Пара, яка утворюється, створює навколо частинок парову сорочку, яка складається із суміші тяжких молекул пари і газових молекул. В результаті на початку випаровування змінюється тепловий баланс.
Теплова енергія, яка надходить від потоку газу до частинки, за наявності випаровування, витрачається на нагрівання матеріалу, випаровування і нагрівання пари до температури газу.
У стаціонарному режимі енергія, яка підводиться, витрачається тільки на випаровування і нагрівання пари при температурі частинок, що залишається постійною.
Хімічні процеси, як і випаровування, також можуть впливати на теплообмін при напиленні покриттів. Ці процеси завжди супроводжують процеси напилення. Особливо суттєвими вони можуть стати при нанесенні металів, які легко окислюються, і речовин у відкритій атмосфері або при введенні в потік спеціальних реагентів. Залежно від конкретного типу хімічних реакцій, інтенсивності нагрівання, швидкості, густини і в’язкості газу і частинок, процес може проходити із проникненням активного газоподібного реагента в об’єм частинки матеріалу, що напилюється, на поверхні частинки або в об’ємі пограничного шару і потоку газу.
Крім явищ, розглянутих вище, у загальному випадку в газопорошковому потоці можливі: зміна реальної форми частинок у потоці; зміна дисперсності частинок матеріалу; зміна структури і агрегатного стану частинок дисперсної фази в потоці (рис. 3.18).
Рис. 3.18. Схема перетворень, які можуть траплятися з частинками дисперсної фази у високотемпературному потоці: 1 – вихідна частинка матеріалу до інжекції у потік; 2 – тверда частинка матеріалу в потоці; 3 – механічне руйнування твердої частинки при попаданні у високотемпературний потік; 4, 5 – плавлення частинки до утворення суцільної розплавленої оболонки; 6 – співудар розплавлених частинок у потоці; 7 – диспергування; 8 – коагуляція частинок внаслідок удару; 9 – втрата квазісферичної форми внаслідок перегрівання або високошвидкісного обтікання; 10 – диспергування внаслідок явища 9; 11 – захоплення маси газу оболонкою внаслідок явища 9; 12 – диспергування порожнистої частинки; 13 – здування розплаву з твердого ядра; 14 – утворення дрібних, розплавлених частинок із захопленою булькою газу і твердих, оплавлених з поверхні частинок внаслідок явища 13; 15 – утворення дрібних, повністю розплавлених і твердих, оплавлених з поверхні частинок внаслідок явища 13; 16 – повністю розплавлена частинка зі швидкістю, яка менша за швидкість несучого потоку газу; 17 – повністю розплавлена частинка зі швидкістю, яка більша за швидкість несучого потоку газу; 18 – початок вторинного затвердіння в несучому потоці повністю розплавленої частинки
Перша група явищ зміни форми пов’язана з механічним руйнуванням, плавленням і (або) випаровуванням матеріалу. Характер проходження цього процесу визначається вихідною формою частинок (сферична, зерниста, луската та ін). Для більшості матеріалів процес плавлення проходить нерівномірно. Причиною цього є порівняно низька теплопровідність матеріалу, неправильна форма частинок (наявність виступів, мікронерівності, відхилення від сферичності), неоднорідність матеріалу гранул (наявність включень, реальна кристалічна структура, відсутність суцільності) і градієнти параметрів потоку. Для частково розплавлених гранул має значення місце знаходження твердого ядра в них і можливість розподілу твердої і рідкої частин внаслідок здування розплавленої оболонки і (або) дії сил поверхневого натягу. Для повністю розплавлених частинок важлива їх орієнтація в потоці і ступінь несферичності, а також зміна форми у міру їх перегрівання і (або) охолодження.
До явищ другої групи, відносять: диспергування твердих частинок внаслідок їх розтріскування або руйнування зв’язків у агломератах; розподіл рідкої і твердої фаз частково розплавлених часток; газовиділення із частинки; руйнування (з’єднання) частинок внаслідок співудару; диспергування рідких частинок внаслідок втрати в’язкості при перегрівання; випаровування частинок матеріалу.
Третя група – це процеси, які проходять безпосередньо поза частинкою матеріалу, але пов’язані з її перебуванням у потоці. До них відносять процеси, які проходять у пограничному шарі (рис. 3.19, 1), що утворюється при обтіканні частинки газом, а також масштаби і ступінь збурення потоку внаслідок наявності в ньому частинок матеріалу.
Рис. 3.19. Схема явищ, які проходять у розплавленій частинці і в потоці поблизу її поверхні: 1 – пограничний шар навколо частинки; 2 – циркуляція матеріалу частинки; 3 – плівки на поверхні частинки; 4 – випаровування матеріалу частинки; 5 – “слід” частинки в потоці
До третьої групи належать також зміна теплофізичних і переносних властивостей газової фази в областях потоку 4, які близькі до пограничного шару, а також розміри і характеристики “сліду” частинки 5.
У четверту групу входять процеси, які безпосередньо пов’язані з явищами, що відбуваються на поверхні і всередині частинок матеріалу (адсорбція-десорбція газів на поверхні гранул, випаровування, сублімація, термоелектронна емісія та ін).
“Внутрішніми” об’єктами цієї групи є структура і агрегатний стан частинки матеріалу в потоці, наявність і характер екзо- і ендотермічних реакцій в об’ємі гранули, питання виділення і розчинення газів у матеріалі, а також процеси перемішування матеріалу в частинці (рис. 3.19, 2).Аналіз структури високотемпературного потоку, наведений вище, показує, що однією із характерних особливостей течії є її неоднорідність у радіальному і осьовому напрямках. Це приводить до того, що стан частинок дисперсної фази також буде неоднорідним в осьовому і радіальному напрямках. Крім того, це буде причиною появи частинок, які знаходяться в складному агрегатному стані.
Теоретично в потоці можуть бути частинки, які знаходяться у твердому, пластичному, розплавленому і киплячому станах. Одночасна наявність частинок у всіх вказаних станах обумовлена рядом причин. Тверді і пластифіковані частинки з’являються через те, що вони не були розплавлені, і внаслідок вторинного затвердіння.
Частинки, які не потрапили у високотемпературне ядро потоку або перетнули його за дуже малий час, залишаються нерозплавленими. Ймовірність цього буде завжди більше нуля, тому, що навіть при правильно вибраних режимах нанесення покриття, завжди існуватиме неоднорідність частинок матеріалу за швидкістю, несиметричність і неоднорідність процесів змішування газодисперсного холодного потоку із несучим потоком.
Ймовірність появи і частка нерозплавлених частинок зростає при розширенні фракційного складу матеріалу, який напилюється. Вторинно затверділі частинки з’являються при віддаленні від зрізу сопла. На периферії потоку ймовірність їх появи вища, ніж на осі. Поява первинно непроплавлених і вторинно затверділих частинок може бути пов’язана з їх міграцією із осьової зони на периферію потоку внаслідок його турбулентності.
Частина матеріалу, яка потрапляє в приосьову область потоку, інтенсивно обробляється. При цьому ряд гранул, залишаючись протягом всього часу життя в цій області, досягає плавлення, інтенсивно випаровується, потім твердіє. Частина матеріалу, внаслідок турбулентності потоку, виноситься на периферію, де охолоджується більш інтенсивно, ніж матеріал, який залишився на осі. Іде і зворотний процес. Частинки, які спочатку потрапили на периферію, потім, внаслідок турбулентних пульсацій, проникають у приосьову високотемпературну зону потоку, де нагріваються до плавлення.
Таким чином, навіть монодисперсні частинки з високою теплопровідністю, у яких однакова температура на поверхні і в центрі гранул досягається практично миттєво, знаходяться в потоці в різному агрегатному стані. Якщо ж матеріал не має високої теплопровідності, спостерігається градієнтне нагрівання (температура в центрі гранул не встановлюється миттєво рівною температурі на поверхні).
Гранули, які потрапили у приосьову область потоку, найбільш інтенсивно нагріваються, потім через складний агрегатний стан переходять у повністю розплавлений стан, починають випаровуватися, а потім знов твердіють, проходячи через складний агрегатний стан, який виникає, коли твердіє зовнішній шар гранули, в той час, коли ядро ще залишається розплавленим.
Інші частинки, які швидше, ніж розглянуті вище, залишають високотемпературну зону і не встигають проплавитися повністю, поза цією зоною більш інтенсивно охолоджуються. В результаті цього може спостерігатися складний агрегатний стан, коли оболонка гранули вже знову стала твердою, наступна за нею внутрішня область ще залишається в розплавленому стані, а ядро так і не було розплавлене.
16