Физические основы холодного газодинамического напыления тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

| КонтрольиыЗ ЭНЗШПЛЯр |

На правах рукописи

КОСАРЕВ Владимир Федорович

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХОЛОДНОГО ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Новосибирск-2003

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения Российской академии наук

Научный консультант: доктор технических наук

Алхимов Анатолий Павлович

Официальные оппоненты: академик Липанов Алексей Матвеевич

доктор физико-математических наук, профессор Федоров Александр Владимирович доктор физико-математических наук, Бочкарев Анатолий Александрович

Ведущая организация:

НИИ механики МГУ им. М.ВЛомоносова, г.Москва.

Защита состоится "_" 2003 г. в_час на заседании

диссертационного совета Д 003.35.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск-90, ул. Институтская, 4/1.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Института теоретической и прикладной механики СО РАН.

Автореферат разослан "_"_2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

г/ С

I

Корнилов В.И.

7S&J

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современных условиях особое значение приобретают проблемы надежности и долговечности машин и механизмов, экономного расходования материалов, энергии и трудовых ресурсов. Решение этих задач неразрывно связано с обеспечением эффективной защиты поверхностей деталей и конструкций от коррозии и изнашивания. Кроме того, по мере развития и совершенствования техники постоянно растут требования к орудиям труда и условиям их эксплуатации (повышение скоростей, температуры, нагрузок, агрессивности среды, уменьшение массы и др.). Применение традиционных конструкционных материалов уже не в состоянии в ряде случаев удовлетворить комплексу этих требований.

В связи с этим экономически и технически целесообразно развивать принципиально новый подход к выбору материалов уже на стадии проектирования. Механическая прочность детали гарантируется за счет применения одного материала, а специальные свойства поверхности обеспечиваются сплошным или локальным формированием на ней тонких слоев других материалов - покрытий, обладающих высоким уровнем требуемых свойств, - коррозионной стойкости, износостойкости, твердости, жаростойкости и др. Такой путь представляет значительные резервы экономии сырьевых ресурсов. Применение технологического улучшения свойств поверхности материала расширяет перспективы проектирования и производства различного оборудования с более высоким уровнем эксплуатационных показателей.

Выявленный в ИТПМ СО РАН эффект образования покрытий при обтекании тел сверхзвуковым двухфазным потоком (газ + твердая частица) с температурой торможения газа 300 К показал, что наличие высоких температур в струе с расплавленными частицами не является необходимым условием формирования покрытий. При определенных параметрах двухфазной струи (скорости, концентрации, размера частиц и пластичности их материала) возможно формирование прочных покрытий при температуре существенно меньшей температуры плавления материала частиц, в процессе ударного взаимодействия и пластической деформации в области контакта частиц и преграды. Сравнение основных параметров двухфазного потока, при которых был зарегистрирован эффект напыления, с параметрами, реализуемыми в газотермических методах напыления, показывает, что реализован новый метод нанесения покрытий, который назван методом "холодного" тодинамического напыления (ХГН). Это1 метод, показав свою уникальность и перспекгивность широкого практического применения, вызвал в России и за рубежом огромный интерес и потребовал всестороннего его исследования.

Изучению и обоснованию физических основ метода газодинамического напыления, исследованию различных вопросов (газодинамические аспекты натекания сверхзвуковых струй на преграду, теплообмен струи с преградой, ускорение частиц, их высокоскоростное взаимодействие с поверхностью преграды и т.д ), связанных с ним, и посвящена данная работа.

Связь с государственными программами и НИР: работа по теме

диссертации выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

БИБЛИОТЕКА

работ Института теоретической и прикладной механики СО РАН по теме "Динамика вязких жидкостей и газов. Исследование физических процессов в двухфазных потоках" (шифр 4.1.1. 10.1.8), по программе СО РАН "Механика, научные основы машиностроения и надежности машин", а также в рамках Программы СО РАН "Научные основы конструирования новых материалов и создание перспективных технологий" (шифр 6.4.1. 10.2.6) и интеграционных проектов № 57 ИТПМ СО РАН и ИХ ДВО РАН "Металлокомпозитные материалы" и №45 ИФПМ СО РАН и ИТПМ СО РАН "Физические процессы на границах раздела при получении гетерогенных материалов и покрытий".

Цель работы. Исследование особенностей и закономерностей процессов формирования сверхзвуковых двухфазных (газ + твердые частицы) струй, их взаимодействия с преградой и формирования покрытий из мелкодисперсных твердых частиц; исследование основных закономерностей метода "холодного" газодинамического напыления (ХГН); экспериментальное исследование и моделирование адгезионного взаимодействия микрочастиц с преградой; разработка различных технологий напыления.

Научная новизна:

- установлено, что на параметры течения в сопле большой длины (¿ = 20- 50 А) с прямоугольным сечением сверхзвуковой части, заметное влияние оказывает пограничный слой;

- зарегистрировано, что при определенных расстояниях от среза сопла до преграды наблюдается неустойчивость струи, выражающаяся в возникновении ее поперечных колебаний;

- определена толщина сжатого слоя при натекании струи на преграду;

- измерены распределения по поверхности преграды коэффициента теплообмена, рассчитана температура преграды и показано, что для теплопроводных материалов заметно снижение температуры поверхности в пятне напыления по сравнению с температурой торможения;

- измерены скорости частиц на срезе сопла, проведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных и предложена аппроксимационная зависимость скорости частиц от определяющих параметров задачи; предложено компьютерное приложение, позволяющее проводить расчет скорости и температуры частиц при газодинамическом напылении;

- поставлена и решена задача оптимизации параметров сопла (длина и толщина сверхзвуковой части сопла) по скорости удара частиц о преграду;

- получена зависимость степени деформации сферических алюминиевых частиц при высокоскоростном ударе от их кинетической энергии, позволяющая верифицировать результаты моделирования;

- моделированием тепловыделения в зоне контакта показано, что влияние толщины зоны тепловыделения на температуру в контакте, особенно для частиц ¿/р < 10 мкм, мало', и допустимо рассматривать тепловыделение в слое нулевой толщины; для металлических частиц размером с1р < 50 мкм недопустимо условие адиабатичности, обычно применяемое при моделировании ударного деформирования макротел; при скорости, зависящей от

размера частицы, в ней может появиться тонкий слой расплавленного металла и поддерживаться за счет тепловыделения в вязком пограничном слое;

- моделированием адгезионного взаимодействия частицы с преградой показано, что существует оптимальный для газодинамического напыления размер частиц (по вероятности закрепления на поверхности преграды);

- предложена модель, учитывающая зависимость процесса напыления от коллективного взаимодействия частиц с преградой;

-найдены режимы напыления из механической смеси мелкодисперсных порошков, позволяющие проводить синтез интерметаллидов на напыляемой поверхности непосредственно в процессе напыления;

- п олучены метал-полимерные (Си + тефлон) покрытия, имеющие электропроводность близкую к электропроводности меди и коэффициент трения, сравнимый с коэффициентом трения тефлона; проведено моделирование износа при трении исследованных композитов, результаты которого согласуются с экспериментальными данными;

-разработаны оборудование и технологии нанесения электропроводных коррозионностойких покрытий на электротехнические изделия и антикоррозионных покрытий на внутреннюю поверхность длинномерных труб; переносная (ручная) установка для нанесения порошковых покрытий методом ХГН, обеспечивающая нанесение покрытий на открытых площадках, для проведения ремонтных и восстановительных работ и т.д.

Практическая ценность работы состоит в возможности использования полученных результатов для создания нового поколения технологий для решения широкого круга научно-технических и производственных задач в области материаловедения, машиностроения, металлургии, электротехники, транспорта и т.д. при производстве продукции с коррозионностойкими, антифрикционными, электропроводящими, упрочняющими покрытиями, в том числе изготовленной из материалов, допускающих ограниченное термическое воздействие. В частности, результаты могут быть использованы для создания или уточнения физических и математических моделей взаимодействия одиночных частиц с преградой, при разработке новых технологических процессов нанесения покрытий, при разработке установок и технологических линий различного назначения, реализующих метод ХГН.

Результаты исследования и разработки метода ХГН и устройств защищены патентами РФ, США, Европатентом, переданы и используются в ряде организаций РФ.

Достоверность полученных результатов обоснована анализом методических ошибок используемых диагностических систем, сравнительным анализом экспериментальных и расчетных данных, полученных различными методами, а также их сопоставлением с известными данными.

На защиту выносятся результаты:

1. исследования течений в соплах с прямоугольным сечением сверхзвуковой части, истечения струй из таких сопел и натекания их на преграду, включая вопросы теплообмена струи с преградой;

2. измерения и расчета скорости частиц, расчета оптимального сопла для напыления;

3. исследования процессов формирования покрытий методом ХГН в зависимости от скорости и концентрации частиц, температуры струи и преграды;

4. исследования нанесения покрытий из смеси различных порошковых материалов, в том числе с возможностью возбуждения высокотемпературного синтеза;

5. исследования высокоскоростного взаимодействия с преградой твердых (нерасплавленных) микрочастиц;

6. моделирования адгезионного взаимодействия микрочастиц с поверхностью преграды в зависимости от их скорости и температуры;

7. исследования свойств покрытий и разработки технологий ХГН.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и представлялись на: X Всесоюзной научно-технической конференции "Высокоскоростная фотография и метрология быстропротекающих процессов" (Москва, 1981), Всесоюзном семинаре "Многофазные потоки в плазменной технологии. Проблемы моделирования" (Барнаул, 1984), ^Всесоюзной научно-технической конференции "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология" (Москва, 1985), Всесоюзной научно-технической конференции "Применение плазменных процессов и порошковых покрытий в промышленности" (Свердловск, 1988), Международном рабочем совещании "Высокотемпературные запыленные струи в процессах обработки порошковых материалов" (Новосибирск, 1988), Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986), Всесоюзном научно-практическом семинаре "Новые системы покрытий цинка и его сплавов с алюминием для защиты металлопроката и труб" (Днепропетровск, 1990), конференции "Новые процессы и оборудование для нанесения покрытий" (Москва, 1990), Выставке "Сибирский прибор" (Новосибирск, 1990), Семинаре "Работы в области восстановления и упрочнения деталей" (Москва, 1991), Выставке "Уголь-металл" (Международная ярмарка) (Новокузнецк, 1994), Международной конференции по плазменным покрытиям (США, Бостон, 1994), конференции "Состояние и перспективы восстановления и упрочнения деталей машин" (Москва, 1994), Региональном семинаре "Новые технологии и научные разработки в энергетике" (Новосибирск, 1994), Международной выставке "Технологии из России" (США, Вашингтон, 1994), 4 - й Международной конференции "Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологий" (Томск, 1995), XVI Всеросийском семинаре "Струйные и нестационарные течения в газовой динамике" (Новосибирск, 1995), I конференции Сибирской Ассоциации Материаловедов "Материалы Сибири" (Новосибирск, 1995), International Conference on the Methods of Aerophisical Research (Novosibirsk, 1996, 1998, 2000), Симпозиуме "Синергетика. Самоорганизующиеся технологии" (Москва, 1996), Сибирской ярмарке "Наука Сибири 96" (Новосибирск, 1996), 3 Международном рабочем совещании "Генераторы термической плазмы и технологии" (Новосибирск, 1997), Международной научно-технической конференции "Научные основы высоких технологий" (Новосибирск, 1997), Международных конференциях "Пленки и покрытия" (Санкт-Петербург, 1998, 2001), Thermal Spray Symposia at the ASM Materials Solutions Conference & Exposition (Rosemont, Illinois, USA, 1998), United Thermal Spray Conference, Germany (Düsseldorf, 1999), "Materials Solutions, 1999" (USA, Cincinnati, 1999), International Thermal Spray Conference and Exposition "Advancing Thermal Spray in the 21s' Century" (Singapore, 2001), Восьмом Всероссийском съезде по теоретической и

прикладной механике (Пермь, 2001), "International Thermal Spray Conference 2002" (Essen, Germany, 2002).

Личный вклад. Исследование газодинамических проблем напыления -постановка задач и выбор методик исследования, расчет параметров газа в сопле и теплообмена струи с преградой; результаты измерения скорости частиц; результаты экспериментального исследования взаимодействия микрочастиц с преградой и процесса холодного газодинамического напыления. Экспериментальное исследование газодинамических проблем напыления, расчет оптимального сопла и моделирование адгезионного взаимодействия микрочастиц с преградой выполнялись под руководством и при участии автора.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 75 работ, список основных приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 155 наименований и приложения. Содержит 293 страницы, в том числе 143 рисунка и 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлено обоснование актуальности темы диссертации, отмечены особенности развиваемого направления и его основные задачи, сформулированы наиболее важные научные и практические результаты, представленные к защите.

Глава 1 посвящена исследованию газодинамических проблем напыления. Вопросы ускорения мелкодисперсных частиц в сверхзвуковых соплах и формирования плоских сравнительно тонких двухфазных струй, обеспечивающих высокую производительность напыления по площади, представляют значительный интерес применительно к процессу "холодного" газодинамического напыления и важны как с практической, так и с научной точки зрения. Опыт работ по ХГН показывает, что наиболее важную роль в процессе нанесения покрытий этим способом играет скорость частиц перед ударом о подложку. При достаточно умеренных и малых концентрациях частиц их скорость можно рассчитывать в приближении движения одиночной частицы. Для такого расчета необходимо предварительно изучить как экспериментально, так и численно течение газа в соплах, применяемых при ХГН, течение от среза сопла до ударной волны и от ударной волны до подложки. Данные вопросы являются важными применительно к задаче оптимизации процесса ускорения частиц в плоских сверхзвуковых соплах, и оптимизации на этой основе технологического процесса напыления.

К газодинамическим проблемам ХГН, рассматриваемым в первой главе, относятся:

1. Течение рабочего газа в сверхзвуковом сопле большой длины, когда заметно влияние на параметры течения пограничных слоев, образующихся на стенках сверхзвуковой части сопла.

2. Истечение сверхзвуковой струи прямоугольного сечения из таких сопел.

3. Натекание сверхзвуковой струи на преграду.

4. Теплообмен сверхзвуковой струи с преградой и определение температуры поверхности преграды в пятне напыления.

Исследования течения в сопле актуальны потому, что при ХГН применяются сверхзвуковые сопла с большим удлинением Л/А = 20 - 50, когда на параметры течения внутри сопла оказывает влияние пограничный слой, образующийся на его стенках, что может привести к существенному отличию параметров течения газа в таких соплах от параметров, рассчитанных для идеальных сопел.

Экспериментально и численно исследовалось влияние геометрических размеров сопла (длина, толщина, угол раскрытия сверхзвуковой части) на параметры течения (п. 1.1). Изучались сопла с конической дозвуковой и плоской сверхзвуковой частью.

Экспериментальные исследования показали, что пограничный слой, образующийся на стенках в соплах с большим удлинением Ык = 20 - 50, оказывает заметное влияние на параметры течений внутри сопла. Это приводит к существенному их отличию от параметров, рассчитанных для идеального газа. Поэтому необходимо было разработать простой метод расчета параметров газа в таких соплах, результаты которого не противоречили бы экспериментальным.

Влияние пограничного слоя в первом приближении сводится к уменьшению сечения канала, и, таким образом, .вместо геометрического отношения площадей в расчетах по восстановлению параметров газа в ядре потока нужно использовать эффективное отношение. Пограничный слой рассчитывался по уравнению Кармана в предположении, что он развивается на плоской пластине, обтекаемой без теплообмена потоком с известным градиентом давления вдоль оси и распределением скорости. По результатам подобных расчетов построена зависимость М^/Мо от относительного удлинения сопла М, (рис. 1). Здесь же нанесены экспериментальные точки Мир/Мо, соответствующие исследованным соплам.

Из графика видно, что относительное число Маха в исследованном диапазоне Мо = 2,18 - 3,45 зависит в основном от величины /г/Л. Пунктирная линия на графике соответствует А/Л « 0,025, .при котором, согласно оценке, происходит смыкание пограничных слоев от противоположенных стенок сопла.

1,0

м/м

о

Рис. 1. Зависимость относительного числа Маха на оси сопла от относительного удлинения сопла.

0,640,0

0,2 А/Л 0,3

1 — Мо = 2,72; />0=1,5МПа; А = 3мм;

2 - Мо = 2,72; />о=!,5МПа; Л = 0,1м;

3 - Мо = 2,72; />„=1,5 МПа; ' А = 3мм; 4-Мо = 2,18; ра = 0,6 МПа; Л = Змм;

5 - Мо = 3,45; />0=1,5МПа; А = 3мм;

6 - Мо = 3,45; рц — 4,0 МПа; А = 3мм;

7 - Мо - 3,45; р<, = 4,0 МПа; А = 3 мм;

8 - Мо = 2,0 - 3,35; Экспериментальные результаты.

¿/Я =0,3; Ь = 3 мм; Ь = 3 мм; 6 = 3 мм; Ь = 3 мм; 6 = 3 мм; ЫН= 0,15;

6/Л = 0,03 Н- 10 мм Я= 10 мм Н = б мм Я= 20 мм Я = 20 мм ЫЬ = 0,03

Необычная форма сопел, используемых в ХГН, является причиной формирования струй, далеких от хорошо изученных осесимметричных или плоских с равномерным распределением параметров газа на срезе сопла. Поэтому были проведены эксперименты со струями, характеристики которых близки к характеристикам струй, используемых в процессе напыления (п. 1.2). Были получены профили М2 и избыточной температуры ДТ0 = Т0 - Та, осевые продольные распределения ро, р, М2, АТ0 для воздушных затопленных струй. Исследовано влияние нерасчетности и показано, что длина сверхзвукового участка струи растет как V«.

Одна из задач экспериментального изучения взаимодействия струй с преградой состояла в измерении распределения давления по поверхности преграды (п. 1.3). Установлено, что распределение давления вдоль меньшего размера струи для углов ф,т = 50 - 90 с автомодельностьно. При определенных расстояниях от среза сопла до преграды наблюдается неустойчивость струи, выражающаяся в возникновении ее поперечных колебаний (рис. 2).

Рис. 2. Режим колебательного натекания сверхзвуковой струи прямоугольного сечения на нормально расположенную преграду. Время экспозиции т = 30 не, М* = 2,25, Л = 3 мм, го/Л = 3 (1), 5 (2), 5,7 (3), 8 (4), 9 (5), 9,7 (6), 10,3 (7), 11 (8).

Показано, что профили числа Маха и избыточной температуры торможения пристенной струи автомодельны, причем толщина пристенного пограничного слоя пренебрежимо мала вплоть до расстояний х/к = 18.

Достаточно важной задачей является определение толщины сжатого слоя в зависимости от параметров струи и дистанции. Очевидно, мелкие частицы > напыляяемого материала, проходя через этот сжатый слой, будут замедляться, и

тем сильнее, чем больше толщина сжатого слоя. Для определения толщины сжатого слоя были выполнены эксперименты с соплами различной толщины и при различных осевых значениях числа Маха на срезе сопла. Использовалась экспериментальная установка, в состав которой входил оптический тракт наблюдения за объектом исследования. Производилось фотографирование, и на основе полученных фотографий оценивалась толщина сжатого слоя. На рис. 3 приведена мгновенная фотография натекания сверхзвуковой струи на преграду и данные, полученные с использованием подобных фотографий.

1,51,0"

ударная волна 0,5' сжатый слой

0,0-

< У = 3 • •

Ъ > • ж С*

тгЖЖд/ ух ▲ X

0

8

Рис. 3. Мгновенная фотография (т »3010 с, л = 3, го = 20 мм) натекания сверхзвуковой струи на преграду и зависимость толщины сжатого слоя от дистанции; А - толщина сопла, го - расстояние от среза сопла до преграды.

Изучение теплообмена струи с преградой в условиях газодинамического напыления (п.* 1.4) важно как с научной, так и с практической точки зрения. Во-первых, процессы адгезионного закрепления частиц на поверхности, как и при газотермическом напылении, существенным образом зависят от температуры подложки. Кроме того, во многих технологических процессах напыления важно корректно контролировать температуру напыляемого изделия, чтобы обеспечить требуемый режим формирования покрытия и состояние поверхности изделия.

Показано, что коэффициент теплообмена практически не зависит от температуры торможения струи на срезе сопла. Обработкой экспериментальных данных найдена аппроксимирующая функция распределения коэффициента теплопередачи (числа Нуссельта) по поверхности преграды

Ыи(х) _ N11(0) ~

Распределение температуры в преграде длиной 2Ь и толщиной 55 рассчитывалось на основе совместного решения стационарного уравнения

Э2Г(х,г) д2Т(х,г) п ,

теплопроводности -^—- н--. = 0 (Т(х, г) - температура в преграде) и

дх дг

интегрального уравнения сохранения тепла в установившемся случае

I

|а(хХ7,0(х)-7,1(ж,0))Лс = 0 с использованием экспериментальных значений о

температуры торможения и коэффициента теплообмена в пристенной струе. Получено уравнение для расчета температуры поверхности преграды

/ / \ 2\

1 + 15 1 Яе, 1

X

V У

дх2 5, ' Л "

Решая его совместно с интегральным уравнением сохранения тепла, получено распределение температуры на поверхности преграды при 0 < х < Ь. На рис. 4

представлены результаты расчета для случая Ь - 100-Ю""3 м, Г0* = 1200 К, 55 = 3 мм: рис. 4 а - распределения температуры поверхности преград, изготовленных из различных материалов, рис. 4 Ь - распределения теплового потока.

Рис. 4. Распределение температуры поверхности (а) и теплового потока (б) на различных подложках. 1 - Си (X = 350 Вт/м-К), 2 - Alfl. = 250 Вт/м-К), 3 - Ст. (X = 40 Вт/м-К).

Проведенные вычисления показали, что заметное снижение температуры поверхности (для материалов с X > 40 Вт/м-К) по сравнению с температурой торможения натекающей струи происходит за счет перераспределения тепла в преграде.

В главе 2 представлены результаты экспериментального измерения (п. 2.1) и расчета скорости частиц (п. 2.2), а также оптимизации сопла для получения максимальной скорости удара частицы о прехраду (п. 2.3). Исследования, проведенные уже на ранней стадии изучения процесса холодного газодинамического напыления, однозначно показали, что наиболее важную роль в процессе нанесения покрытий таким способом играет скорость удара частиц о поверхность подложки. Скорость частиц регулировалась контролируемым изменением состава рабочего газа (в качестве рабочего газа использовалась смесь воздуха с гелием) и определялась численно. Численные расчеты предварительно верифицировались по результатам экспериментов. Измерения проводились на установке, оснащенной различными средствами лазерной диагностики, которые включали в себя ЛДИС, теневые и шлирен-методы оптической диагностики, схему лазерного "ножа" для регистрации треков частиц и измерения их скорости методом треков.

Расчетные значения скорости частиц на срезе сопла сравнивались с экспериментальными значениями. На рис. 5 они представлены в виде зависимости отношения скорости частиц к скорости газа от безразмерного комплекса

расчетные и экспериментальные значения хорошо согласуются и допускают простую аппроксимацию, удобную для быстрой оценки скорости частиц на срезе сопла;

500

О

25

15 X, ММ 100

Расчетные значения показаны точками 1 - И. Видно, что

ч

1,0 v*/v*

0,8

0,6

/.¿-50ммр0 = 3,0мпа 7 1= 150 ммр, = 1,0 Mlla

2 £-50ммр„ = 1,5 МПа 8 ¿ = 50ммя>" 1,0 МПа

100ммро=3,0МПа У ¿- 100мм/70 = 2,0 МПа

■».¿=100мм/>о=1,5МПа 10 L" 150 мм р0 ^ 3,0 МПа

5.L- 100мм/><,-2,0МПа //. Д = 100мм/>0 = 3 МПа 6 l - 150 ммро = 3,0 МПа

Го = 300 К

12. Эксперимент 1-7-AI S-ll-Cа

Г» - 500 К

0,5 1,0 Q 1,5

Рис. 5. Обобщенная зависимость относительной скорости частиц на выходе из плоского сверхзвукового сопла.

Во второй главе описано также компьютерное приложение, позволяющее проводить быстрый предварительный анализ той или иной конфигурации соплового узла для установок холодного газодинамического напыления. Результаты расчетов с помощью этой программы прошли проверку сравнением с экспериментальными результатами. При этом проверке подвергались как значения скорости газа, так и скорости частиц.

Поставлена задача оптимизации параметров сопла (длина Ь и толщина А сверхзвуковой части сопла) по скорости частиц в момент удара и получено ее решение для характерных условий холодного газодинамического напыления. На рис. 6 представлены изолинии скорости частицы в момент удара вблизи максимума на плоскости Л, Ь.

Показано, что существуют оптимальные значения L и Л, которые в первом приближении линейно зависят от pfdf\ Lopi =4,06-103-11,7; hopt = 0,048-103 p^rf^ +0,49, т.е. наблюдается подобие движения частиц разной плотности, если ppdp = const.

Рассчитана температура частиц в момент удара и показано, что она зависит от размера и плотности частиц и составляет 0,6-0,8 от температуры торможения газа (для оптимальных сопел).

Рис. 6. Изолинии скорости частиц алюминия </р = 10мкм в момент удара о поверхность преграды (отношение сторон критического сечения 1:1, zq- 15 мм). Абсцисса - 100А, мм, ордината - L, мм.

В третьей главе рассмотрены особенности формирования покрытий методом ХГН из металлических порошков на подложках из различных материалов в зависимости от скорости частиц, температуры струи и других параметров. Изложены результаты поисковых исследований, связанные с реализацией способов ускорения частиц в сверхзвуковых соплах прямоугольной конфигурации. В методе ХГН важнейшую роль играет скорость частиц, поэтому очень важно было исследовать зависимость от нее процесса напыления. Очевидно, что от температуры рабочего газа процесс напыления также должен зависеть. Поэтому именно эти вопросы были рассмотрены в первую очередь.

Показано (п. 3.1), что для исследованных металлических частиц (¿р < 50 мкм) существует критическая скорость усг»500 - 600 м/с взаимодействия их с подложкой. При ур < V,., наблюдается классический процесс эрозии, при ур > ует он переходит в процесс напыления, т. е. в формирование на поверхности подложки плотного металлического слоя, причем с дальнейшим увеличением скорости характер формирования покрытия резко изменяется. В частности, значение коэффициента напыления для исследованных порошков увеличивается от нуля до 0,4 - 0,8 при ур « 1000 м/с. При использовании сверхзвуковой (М = 2,0 - 3,0) воздушной струи с небольшим подогревом (ДГ<400К) получены покрытия из большинства металлов и многих сплавов (А!, Си, №, Хп, РЬ, Бп, V, Со, Ре, "Л, бронза, латунь и др.) на различные подложки из металлов и диэлектриков (в частности, стекло, керамику и т. д.). Нагревая струю гелия и тем самым обеспечивая ур > 1200 м/с, удалось получить покрытия из тугоплавких металлов (№>, Мо и V/). При этом коэффициент напыления порошков может достигать 0,5 - 0,8, что имеет чрезвычайно важное практическое значение при разработке конкретных технологических процессов.

При анализе экспериментальных данных обнаружено влияние концентрации частиц в струе газа (п. 3.2). Оказалось, что при увеличении расхода частиц можно перейти от эрозии подложки к напылению. Основными особенностями процесса напыления в режиме малых скоростей удара является наличие критического расхода частиц ниже которого покрытие не образуется при любом времени воздействия двухфазной струи, а также очень малое значение коэффициента напыления Ат/М = 10° + 10"4. Кроме того, покрытия, полученные в этом режиме, существенно отличаются по своим свойствам от покрытий, полученных при ур > ус. При ур<^„ когда одиночные частицы не закрепляются на подложке, процесс формирования покрытий при достаточно высоких расходах частиц 01 > б/с можно объяснить увеличением температуры поверхности подложки за счет тепловыделения при ударах частиц, активацией поверхности подложки, а также наличием эффекта взаимодействия частиц - двойных ударов.

При напылении температура поверхности может играть существенную роль для образования химических связей и диффузии между материалом подложки и частицы, которые реализуются в контактной области. Для исследований характера образования покрытия на разогретой до 900 -1200 К стальной подложке была создана экспериментальная установка. Проведенные эксперименты показали, что температура подложки оказывает существенное влияние на закрепление частиц при их напылении (п. 3.3). Взаимодействие двухфазного потока с препятствием приводит с ростом температуры последнего сначала к эрозии, затем к образованию

покрытия, толщина которого увеличивается с повышением температуры подложки, и затем вновь наступает эрозия, связанная с разрушением оксидной пленки, образующейся на поверхности металла во время его нагрева на воздухе. Наряду с этим было установлено, что воспламенения порошка алюминия не происходит. Это указывает на пожаробезопасность данного процесса и позволяет рекомендовать нанесение антикоррозионных алюминиевых покрытий на нагретую поверхность для практического применения.

В некоторых случаях перспективным является использование процессов напыления с одновременным проведением синтеза веществ с заданными свойствами непосредственно на напыляемой поверхности. Была спроектирована и изготовлена исследовательская установка с возможностью обеспечения температуры газопорошковой струи до 1000 °С, которая позволяла провести возбуждение реакции между компонентами смеси за счет нагрева струей горячего воздуха (п. 3.4). Образованное в результате реакции покрытие имело высокую твердость, что также свидетельствует в пользу образования интерметаллидов в напыленном покрытии. Проведенный рентгеноструюурный анализ полученных покрытий подтвердил наличие в них интерметаллидной фазы NiAl и показал (рис. 7) принципиальную возможность получения покрытий с возбуждением реакций синтеза непосредственно на напыляемой поверхности.

Рис. 7. Рентгенограмма покрытия полученного в условиях газодинамического напыления.

Исследованы процессы нанесения методом ХГН покрытий из металл-полимерных (ПТФЭ) частиц, приготовленных по технологии совместной механохимической активации (п. 3.5). Показано, что газодинамическое компакти-рование не вносит существенных изменений в соотношение исходных компонентов в порошках композитов, кроме того, позволяет создавать скомпактированные в виде покрытий композитные материалы определенного состава, и за счет этого изменять физико-технические свойства материала. При добавлении ПТФЭ «= 1 % в токопроводящие порошки удельное электросопротивление отличается от удельного электросопротивления основонго компонента порошка незначительно, в пределах (1-4)%. Отсюда можно сделать вывод, что покрытия из рассмотренных композитных материалов, полученные газодинамическим методом, можно использовать в различных системах скользящего токосъема. Установлено, что величина концентрации ПТФЭ (0,06-0,1)% является уже достаточной для реализации минимального коэффициента трения, соизмеримого с величиной, характерной для трения чистого тефлона с металлом, (рис. 8)

А *

д д У

д

0,06-

0,04

д / = 0,01 + 9,5*10"р

0,02

0,00

45

SO

60

6S

Рис. 8. Зависимость от нагрузки коэффициента трения композиции (WC - Си + 0,1 % FC) 60 % + Си (ПМС) 40 %

Для более полного понимания процесса трения образца из металлополимерного композита было проведено его моделирование. Определенная в результате моделирования величина минимальной объемной концентрации, которая является достаточной для достижения высоких триботехнических свойств, хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Глава 4 посвящена экспериментальному исследованию взаимодействия одиночных частиц с поверхностью. Метод холодного газодинамического напыления, имея много общего с другими методами порошкового напыления (детонационный, плазменный и т.д.), тем не менее имеет определенные особенности, в основном заключающиеся в том, что взаимодействие частиц с подложкой происходит при существенно более низкой температуре. Методом ХГН можно наносить покрытия при комнатной температуре. Это обстоятельство позволяет проследить влияние на процесс напыления только скорости частиц (в чистом виде), исключив температуру из рассмотрения, что невозможно сделать, применяя методы газотермического напыления. С использованием этого уникального свойства метода ХГН были проведены экспериментальные исследования высокоскоростного взаимодействия микрочастиц с поверхностью при низких температурах. Оценки (расчеты) показывают, что при ускорении частиц сверхзвуковым потоком газа, имеющим комнатную температуру торможения, температура частиц в момент удара составляет 150 - 200 К, т.е. частицы попадают на поверхность в "замерзшем" состоянии. Другой особенностью проведенных исследований является то, что из рассмотрения были выпущены коллективные эффекта, а основное внимание уделялось т.н. "взаимодействию одиночных частиц", когда среднее расстояние между частицами в струе и на поверхности подложки намного превышает их собственные размеры. Этот режим позволяет изучать лежащие в основе самого явления соединения частиц с поверхностью физические законы, которые являются общими для всех методов порошкового напыления и до сих пор еще недостаточно ясны.

Характер взаимодействия одиночных частиц с поверхностью изучался с -использованием движущейся полированной подложки (п. 4.1), причем концентрация частиц в струе и скорость перемещения подложки подбиралась таким образом, чтобы после взаимодействия на подложке можно было наблюдать отдельные кратеры и закрепившиеся частицы. Использовались частицы алюминия со средним

размером <}т = 30,2 мкм. Скорость частиц регулировалась формированием различного состава смеси воздуха с гелием. На рис. 9 показаны частицы алюминия, закрепившиеся на полированной поверхности медной подложки.

с d

Рис. 9. Характер деформации частиц алюминия при различных скоростях соударения их с полированной медной подложкой.

Частица на рис. 9Ь закрепилась при vp» 1100 м/с. Отчетливо видны характерные выбросы металла по периферии. Йа рис. 9 с видно, что после закрепления частица испытала удар летящей следом частицы, которая при этом не закрепилась. На рис. 9 d частица закрепилась, ударившись о ранее закрепившуюся частицу. Наблюдение большого числа фотографий частиц различного размера, закрепившихся на поверхности при разных скоростях, позволило лучше понять основные закономерности этого процесса и в дальнейшем использовать это при моделировании адгезионного взаимодействия микрочастиц с поверхностью преграды и для верификации численных расчетов.

Исследования показали, что процесс взаимодействия двухфазной струи с подложкой можно разбить на три области в зависимости от скорости частиц.

Первая - при скорости частиц, меньшей некоторого критического значения vcr, характеризуется тем, что при любом, сколь угодно большом времени воздействия двухфазной струи, покрытие не образуется, а наблюдается процесс эрозии.

Вторая - при скорости частиц vcr < vp < vCT*. В этой области в зависимости от скорости частиц каждая точка поверхности должна испытать определенное число ударов, необходимое для ее очистки и активации, после чего частицы смогут на ней закрепиться. Чем больше скорость частиц, тем меньше предварительных ударов необходимо, и при определенной скорости vp > v„.* они могут закрепиться на "естественной" подложке, т.е. = 0. Таким образом, третья область - это область vp > vcr*.

Очевидно, что критические скорости vcr и vcr* зависят от многих параметров взаимодействия: материалов частицы и подложки, размера частиц, исходного состояния поверхности частиц и подложки и т.д.

В случае практического применения метода ХГН целесообразно непосредственно перед напылением проводить обработку напыляемой поверхности, что приведет к уменьшению необходимой для напыления скорости частиц. Кроме того, следует заметить, что при напылении при скорости частиц vcr< vp < vcr* на движущуюся со скоростью vB подложку существует критическая концентрация частиц в струе, ниже которой покрытие не образуется. И соответственно, при определенной концентрации частиц в струе существует максимальная скорость перемещения подложки, превышение которой приведет к прекращению образования покрытия

Изучение условий закрепления частицы на поверхности является ключевой задачей, решение которой позволяет понять механизмы образования покрытий. Важное место в этой проблеме, особенно для метода ХГН, занимает исследование взаимодействия твердых металлических микрочастиц с преградой при скоростях встречи vp = 400- 1200 м/с, приводящего к деформации и закреплению частиц на поверхности преграды. Изучалась деформация частиц, изготовленных из менее твердого материала, чем материал преграды (п. 4.2). С использованием рассчитанной скорости частиц найдена зависимость деформации частиц от их скорости. Показано, что зависимостью от рр/рв и Я/Яв можно пренебречь в отличие от зависимости от р?vp2/Hp. На рис. 10 представлены результаты экспериментов в координатах е, ррур2/Яр.

На этом же графике показаны точки, полученные для частиц размером 10 и ЗОмкм. Если учесть зависимость скорости частиц от их размера, получим, что степень деформации мелких частиц ниже при одинаковой скорости, чем более крупных, то есть прочностные свойства (Яр) у мелких частиц выше, чем у крупных. Это подтверждает наличие в рассматриваемой зоне скоростей и размеров масштабного эффекта. Сплошной линией показана аппроксимирующая кривая, построенная по результатам, полученным для среднего размера частиц. Видно, что экспериментальные точки для dm допускают аппроксимацию кривой

где к = 1,4; е 1 при v -> со и е 0 при v 0.

1,0 е

0,5-

Рис. 10. Рависимость деформации частиц от скорости удара; dm = 19,4 мкм.

0

3 р v !/Н 6

р р р

Таким образом, проведенный цикл экспериментальных исследований по высокоскоростному взаимодействию с преградой одиночных частиц, позволил понять основные закономерности газодинамического напыления. Экспериментальные результаты, представленные в данной главе, являются основой для верификации расчетов деформации частиц и моделирования тепловыделения при ударе и адгезионном взаимодействии частицы с подложкой.

В главе 5 изложены результаты моделирования адгезионного взаимодействия с поверхностью одиночной частицы при ее высокоскоростном пластическом деформировании Формирование покрытая при нате калии "холодной" высокоскоростной струи на преграду находит все большее применение в технологиях газодинамического напыления. Однако природа соединения с преградой металлических частиц, имеющих скорость vp~ 500 ч- 1200 м/с и температуру, существенно меньшую температуры плавления материала частиц, неясна. Сложность исследования этого явления обусловлена малыми размерами частиц (¿р-Ю^м), кратковременностью взаимодействия (г, ~ 10~8 с), неопределенностью фазового состояния взаимодействующих объектов в микрообъемах вблизи контактных границ и т.д.

Процесс адгезионного взаимодействия частицы с подложкой при газодинамическом напылении рассматривался в рамках подхода, широко используемого при анализе газотермического напыления. Вместе с тем следует учитывать, что при газодинамическом напылении более значительно, чем в газотермических методах влияние кинетической энергии частиц, приводящее к существенным отличиям взаимодействия холодных и расплавленных частиц, характерных для газотермических методов напыления. Так, температура в контакте частица - подложка в случае холодных частиц зависит от тепловыделения в зоне интенсивной пластической деформации, что несущественно при взаимодействии с подложкой расплавленных частиц. Кроме того, как показано в работе, для частиц размером dv < 50 мкм существенны процессы теплопередачи в течение контакта, и условие адиабатичности процесса, принимаемое обычно при построении математической модели ударного деформирования тел, становится некорректным.

Моделирование процесса деформации пластичной частицы при ударе со скоростью 500- 1500 м/с о недеформируемую подложку (например, удар алюминиевой частицы о стальную подложку) описано в п. 5.1. Деформация частицы в любой момент времени определялась через конечную, зависящую от скорости, деформацию ер = (dp - hp)/hp из выражения e(Vp, т) = ЕрТ(2 - т), где Лр - конечная высота продеформированной частицы, т = i/tc - относительное время. Время контакта определялось из выражения tc = 2-sp<ip/vp. Анализ формы закрепившихся частиц в разрезе показал, что ее с достаточной точностью можно аппроксимировать параболоидом вращения. В этом случае относительный текущий радиус площади контакта Q = r/dp и деформация связаны соотношением

f'(vi-.(viMvOi- [^fc-^'lj^ „р.

Температура в контакте частица - подложка определялась (п. 5.2) как сумма Гс(г|, г) = Гс°(г|, т) + Г„(т1, т) (Гс° - температура в контакте двух различно нагретых тел, rv(ii, г)-температура дополнительного подогрева контакта за счет тепла выделяемого при ударе). В первом приближении гДт], г) оценивалась как температура контакта двух полубесконечных тел.

Температуру Г„(т|, г) в точке с координатой ri = z/dp в момент времени т < 1, в случае равномерного пространственно-временного распределения интенсивности

pvl

тепловыделения А(т]\т') = А^ =-j— в слое 0 < r[' < ß(I - ер), где 0£ß'<l,

можно определить из выражения v2 ' Г 8с/? о

djj

(r-r')_

-Ф

dM-ß^-e,))

И для плоскости контакта т) = 0, соответственно:

При Р = О

1 6с е.

¿А-*,)

=ехр

d.T)

ДО, г) = — p v ?>

cfilxxe

Показано, что температуры конечны везде, даже при выделении тепла в бесконечно тонком слое на границе контакта. Скорость, при которой в какой-либо точке частицы достигается температура плавления в интересующем нас интервале размеров, зависит от диаметра частицы, начальных температур частицы и подложки и толщины зоны тепловыделения.

Задача, в которой учитывались конечные в направлении, перпендикулярном плоскости контакта, размеры подложки и частицы и различие их теплофизических свойств, решалась численно. На рис. 11 показаны распределения температуры в системе алюминиевая частица - подложка для различных материалов подложки. Частица ускорялась газом с температурой торможения Т0 = 300 К до 800 м/с, поэтому в расчетах начальная температура подложки принималась ГВо = 300 К, а частицы - Гро = 200 К (частица охлаждается при движении в сверхзвуковом потоке), диаметр частицы ¿р = 25 мкм. Видно, что при взаимодействии с подложкой из менее теплопроводного материала уровень температуры в приконтактном слое заметно повышается (от ~ 630 К в системе А1 - Си до ~ 970 К в системе А1 - А1203), что является, очевидно, причиной наблюдаемого в экспериментах напыления на керамических подложках при более низких скоростях.

Рис. 11. Распределение температуры в зоне конкиста при V,,=800 м/с, Ц, = 25 мкм и (3 = 0,1.

Анализ высокоскоростного пристенного течения металла частицы в радиальном направлении показал (п. 5.4), что при ударе металлической микрочастицы о твердую преграду вблизи поверхности может сформироваться и поддерживаться за счет тепловыделения в вязком пограничном слое тонкий слой расплавленного металла толщиной 5 < 0,015с/р, в котором температура близка к температуре плавления металла частицы.

При ударе о поверхность частицы, находящейся в нерасплавленном состоянии, с одной стороны, протекает процесс образования связей между контактирующими поверхностями частицы и преграды, а с другой стороны, происходит аккумуляция упругой энергии во всем объеме частицы, которая при разгрузке стремится высвободиться в виде кинетической энергии отскока. Если накопленная упругая энергия превышает энергию адгезии, то частица отскочит, в противном случае она останется закрепленной на поверхности. Представлена статистическая модель адгезионного взаимодействия часгацы с преградой при газодинамическом напылении. В п. 5.5 процесс образования соединения между частицей и подложкой рассмотрен как топохимическая реакция (реакция на границе раздела вступивших в контакт тел). Относительное число связей, среднее по площади контакта -

АГ-

= 1

1-р^ехр

0 Ьс

-V*,

I

ехр -

'.(С)

кТ„

¿г

Задача заключалась в том, чтобы определить зависимость числа связей от скорости и размера частиц. Для этого необходимо определить, как зависят время и температура контакта от скорости и размера частицы. Временя контакта оценивалось по формуле /с = 2-ер£/р/ур, а температура контакта по формуле

•г/м

Т =

* Г

ш

УгРг

1+-

н„

Н.

{тт-т9)) ср(гт-гр)

V, - скорость при которой в частице достигается температура плавления, у2 -прогретая часть плавится.

Объем материала частицы, темпера гура которого порядка температуры плавления, находились из выражения

О, у„<У,

/ ■>

1

К„ =

н.

Яу-Ср^-Грк

к,

Для определения относительного числа связей предполагалась равномерность распределения температуры по контактной поверхности. Это позволило значительно упростить расчет энергии адгезии:

Г г. V

N

g = {—*-) = 1-ехр

• vtc exp

kTr

Таким образом, с применением упрощающих предположений, принятых выше, была получена зависимость числа связей, усредненных по контактной площади частицы от скорости и диаметра частицы. Для определения энергии адгезии учтем, что A/Am3X = N„/Naо, где Атх может быть выражена как Л-пях = ScNoqEí. Здесь Л^оо - максимальное число связей на единице площади контакта, равное числу атомов в плоскости контакта, которое можно оценить через параметр кристаллической решетки a (Ngo»21а1 для гранецентрированной решетки), Е\ - энергия связи двух атомов, которая оценивалась по энергии сублимации, так что NaoEt = 6,85 Дж/м2. Выражая площадь контакта через диаметр частицы и ее деформацию, получим оценку предельной энергии адгезии

nd2N пЕ,

р q О I з

шах ю / \ "Р ■

3(1-р)

Может возникнуть предположение, что для более эффективного напыления необходимо использовать крупные частицы, однако это не так. Дело в том, что с увеличением размера частиц растет запасенная в частице упругая энергия U, которая высвобождается в виде кинетической энергии отскока. Эта энергия является конкурирующей с энергией адгезии. В частности, при ударе макротел большая часть объема частицы не подвергается значительному нагреву и, следовательно, обладает большим запасом упругой энергии, что является мощным фактором, препятствующим закреплению крупных частиц.

Известно, что в диапазоне малых скоростей (менее и порядка 100 м/с) энергия отскока хорошо аппроксимируется выражением

р2 о v 2

,. \>гП = /Yc>1 о = .' Р р

К = е,тУп!2 = —Vf(Q), П рj \

где Рл = 1,1 ст5 - напряжение на границе в момент отскока (а5 алюминия 40 МПа), Е* - приведенный модуль упругости (для пары алюминиевая частица - медная подложка = 43 ГПа), функция У(П) = 1,5-П3'4. При скоростях более 100 м/с величина запасенной упругой энергии оценивалась по этой же формуле, заменой

объема частицы той его частью, которая не испытывает значительного нагрева, и введением значения энергии отскока (упругой энергии) {/то ПРИ скорости 100 м/с

Учитывая, что V - ¿р3, а Атах ~ с!р2 получим, что и/Ата1С увеличивается пропорционально размеру частиц. Из этого следует, что взаимодействие твердой частицы с подложкой, реализуемое при холодном напылении, существенным образом зависит от размера частицы. С какой бы скоростью частица не ударялась, если ее размер достаточно велик, она отскочит от подложки, несмотря на то, что за время контакта образовалось максимальное число связей. Поэтому для уменьшения эффекта упругого отскока необходимо использовать мелкие частицы.

В силу своей статистической природы даже при жестко заданных энергии активации, размере и скорости частиц число образованных связей должно быть представлено функцией распределения. Кроме того, поскольку размер частиц сравним с типичными размерами шероховатости поверхности подложки и зернистой структуры большинства материалов, следует ожидать, что это также должно вносить свой вклад в разброс значений энергии адгезии и запасенной упругой энергии. Функция распределения имеет вычисленное выше среднее значение Л/с и характерную дисперсию (полуширину пика) сг. В силу влияния большого числа факторов здесь и далее мы предполагаем нормальное распределение вполне оправданным для дальнейшего использования.

Введем число /У, разорванных связей, которое пропорционально запасенной упругой энергии. Если число разорванных связей Ыт больше или равно числу образовавшихся связей, то частица отрывается от поверхности. В противном случае происходит ее удержание, тогда условие закрепления частицы на поверхности можно записать в виде х > Ы„ где дг - случайная величина, отвечающая числу образовавшихся связей в данной реализации. Подстановкой значения дисперсии, например ст ~ 0,3/^, вероятность попадания в интервал х > И, может быть определена из выражения

Отметим, что при равенстве упругой и адгезионной энергий (т.е. равенстве числа образованных и разорванных связей) вероятность закрепления должна быть равна 1/2, т.е. половина из всех упавших частиц останется на поверхности, а другая половина отскочит. Мелкие частицы (порядка 5 мкм и менее) также как и крупные (порядка 80 мкм и более), имеют более высокие скорости удара, необходимые для

Упругая энергия, отнесенная к максимальной энергии адгезии g

закрепления, чем частицы среднего размера (20-40мкм). На рис. 12 приведены результаты расчета для уровней вероятности 0,1, 0,5, и 0,9. По оси ординат отложена скорость удара, по оси абсцисс - диаметр частиц. Как видно, кривые имеют ярко выраженный минимум, определяющий размер частиц наиболее выгодный для достижения заданного уровня вероятности закрепления.

Рис. 12. Зависимость скорости удара частиц при заданном уровне вероятности закрепления от диаметра частиц.

При напылении полидисперсными порошками суммарная эффективность напыления (коэффициент напыления) определяется выражением

К = ]/р(хИ,ур1х)& =

о

Здесь п, - массовая доля частиц /-го размера, р(ур, </р,) - вероятность закрепления частицы 1-го размера при скорости ур,/р(х) - массовая плотность распределения порошка по размерам, х - диаметр частиц. На рис. 13 приведены кривые зависимости коэффициента напыления от скорости частиц для полидисперсного порошка алюминия различных фракций, АСД1 со средним значением диаметра частиц около 30 мкм, АСД4 (¿т = 25 мкм). Для сравнения приведены измеренные экспериментально значения коэффициента напыления. Можно заметить, что рассчитанные и экспериментальные значения достаточно хорошо согласуются.

Рис. 13. Зависимость от скорости коэффициента напыления различных фракций алюминия.

Представленная модель, не претендуя на точное количественное совпадение с реальной картиной взаимодействия частиц с преградой, показывает характер зависимости процесса напыления от скорости и размера частиц. Кроме того, после уточнения открывается возможность решать на ее основе оптимизационные задачи с учетом реально существующих распределений частиц по размерам.

Результаты, приведенные выше, касаются взаимодействия частиц с преградой, не подвергшейся к моменту удара ударам других Частиц. Поэтому при расчетах использовалось значение энергии активации, характерное для материала подложки и одинаковое для всех соударяющихся частиц. В реальном же напылении частицы соударяются с участками поверхности, имеющими различную энергию активации. Как показано экспериментально, при взаимодействии с поверхностью потока частиц, имеющих скорость меньше критической усг* (усг* - скорость, при которой частицы начинают закрепляться на неактивированной поверхности), через некоторое время, когда поверхность испытает определенное количество ударов, на ней начинают закрепляться частицы. Этот эффект может бьггь объяснен изменением состояния поверхности при ударах, которое (в том числе и уровень ее шероховатости) описывается в рамках данной теории одним параметром - энергией активации. По мере того как увеличивается число ударов в точку поверхности, энергия активации уменьшается, что приводит к росту вероятности закрепления частицы в окрестности данной точки. Первые упавшие частицы приводят к очистке поверхности (так же, как и предварительная пескоструйная или механическая обработка) и созданию характерного микрорельефа. Падающие следом частицы хоть и отскакивают, тем не менее повышают химическую активность поверхности, образуя при пластическом деформировании в приповерхностных слоях преграды повышенную концентрацию дислокаций, места выхода на поверхность которых могут явиться центрами, с которых начинается химическое взаимодействие частицы с подложкой. Кроме того, они могут оставлять на поверхности некоторое количество закрепившихся атомов вещества частицы. Эти атомы, очевидно, должны снижать энергию активации до характерной величины, свойственной материалу частицы. Причем, чем толще слой атомов материала частицы, тем ближе значение энергии активации к энергии активации материала частицы.

В качестве характерной величины, позволяющей опГичать один материал поверхности от другого, принимались значения энергии активации (Осипов К.А. Некоторые активируемые процессы в металлах и сплавах. М.: Изд-во АН СССР, 1962). Энергия активации в данной точке и в данный момент времени находилась из выражения (п. 5.6)

Оно качественно правильно описывает поведение энергии активации, которая при Ы= 0 определяется состоянием поверхности подложки и при N —* со напыляемого материала. Здесь Е„, Ер - значения энергии активации, характерные для материалов преграды и частицы, соответственно, N - количество ударов в точку поверхности (т.е. количество ударивших в данную точку поверхности частиц). Константы А: и Л/о подбирались на основании данных эксперимента. Например, для случая взаимодействия частиц алюминия с медной поверхностью к= 1,25, Ло = 400.

На рис. 14 представлены результаты моделирования высокоскоростного адгезионного взаимодействия частиц алюминия диаметром 30 мкм с медной подложкой при скорости удара 600 м/с. Показан участок поверхности размером 400 х 400 мкм. Первая частица закрепляется только после того, как поверхность преграды достаточно активирована ударами. В данном случае число

с) 70/5498 О) 200/5893

Рис. 14. Моделирование напыления при скорости 600 м/с. Белый, светло-серый и темно-серый цвет соответствует точкам поверхности, подвергшейся большому количеству ударов в порядке возрастания. Цифры под рисунками - число закрепившихся и упавших частиц соответственно. Светло-серые кружки - закрепившиеся частицы, черный цвет -места наложения двух и более частиц.

На рис. 15 представлен рост площади запыленной поверхности в процессе моделирования напыления. Для исключения влияния случайности для каждой скорости соударения было проведено по три расчета. Результаты показывают, что хотя закрепление каждой отдельной частицы и происходит случайным образом, интегральное запыление поверхности вполне закономерно и результаты расчетов, полученные при одинаковой скорости, практически не различаются. Из рис. 15 видно, что полное запыление происходит после обработки поверхности потоком частиц, зависящим от их скорости. Далее наблюдается быстрый рост запыленной поверхности. Чем выше скорость частиц, тем меньше их необходимо для полного покрытия поверхности. При скорости ур = 800 м/с частицы начинают закрепляться на поверхности, не подвергшейся предварительным ударам, и поэтому дальнейшее увеличение скорости не приводит к изменению зависимости от Ытр.

Рис. 15. Увеличение доли запыленной площади в процессе напыления (численное моделирование) при различных скоростях частиц.

Тр = 220 К; 1 - = 500 м/с; 2 - ур = 600 м/с; 3 - ур = 700 м/с; 4 - ур = 800 м/с.

Представленная модель показывает характер зависимости процесса напыления от коллективного взаимодействия частиц с преградой. Результаты, полученные при моделировании, согласуются с результатами экспериментов. Поэтому дальнейшее совершенствование предложенной модели и проведение тщательных тестовых экспериментов для ее верификации является весьма актуальным. Все это позволит более полно понимать процессы, происходящие при газодинамическом напылении.

В шестой главе для анализа области применения газодинамических покрытий и сравнения их свойств со свойствами газопламенных, плазменных и детонационных покрытий, а также для расширения представлений о механизме формирования <

покрытий и возможности их практического использования представлены результаты исследований основных свойств покрытий: микроструктуры, адгезионно-когезионной прочности сцепления, микротвердости, пористости, плотности, |

газопроницаемости и антикоррозионных свойств. Показано (п. 6.1), что метод I

"холодного" газодинамического напыления обеспечивает получение различных металлических покрытий, свойства которых, изменяя режим напыления, можно регулировать в достаточно широких пределах; например, пористость от 1 до 15 %, ,

толщину слоя от нескольких десятков микрометров до нескольких миллиметров и др. При этом характерное значение адгезии составляет 20 - 80 МПа, а коэффициент использования порошков достигает 50 - 80 %. Метод ХГН (в отличие от высокотемпературных) позволяет проводить сбор порошка и повторное его Г

использование, что обеспечивает экологическую чистоту, увеличивает коэффициент I

использования до 90 - 95 %, снижает эксплуатационные затраты.

Описаны технологии и установки, применяющие метод ХГН и запатентованные в России и за рубежом, в частности, нанесение ,

коррозионностойких покрытий на внутреннюю поверхность длинномерных (до 12 м) труб (п. 6.2); нанесение электропроводных коррозионностойких покрытий '

на электротехнические изделия (п. 6.3); установка газодинамического напыления |

переносного типа (п. 6.4).

Основные результаты и выводы

1. В результате проведения комплекса исследований созданы научные основы метода холодного газодинамического напыления:

- установлено, что на параметры течения внутри сопла большой длины (I = 20 - 50 И) с прямоугольным сечением сверхзвуковой части заметное влияние оказывает пограничный слой;

- зарегистрировано, что при определенных расстояниях от среза сопла до преграды наблюдается неустойчивость струи, выражающаяся в возникновении ее поперечных колебаний;

- определена толщина сжатого слоя при натекании струи на преграду;

- измерены распределения по поверхности преграды коэффициента теплообмена, рассчитана температура преграды и показано, что для теплопроводных материалов заметно снижение температуры поверхности в пятне напыления по сравнению с температурой торможения;

- измерены скорости частиц на срезе сопла, проведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных, и предложена аппроксимацион-ная зависимость скорости частиц от определяющих параметров задачи; разработано компьютерное приложение, позволяющее проводить расчет скорости и температуры частиц при газодинамическом напылении;

- поставлена и решена задача оптимизации параметров сопла (длина и толщина сверхзвуковой части сопла) по скорости удара частиц о преграду;

- получена зависимость степени деформации сферических алюминиевых частиц при высокоскоростном ударе от их кинетической энергии, позволяющая верифицировать результаты моделирования;

- моделированием тепловыделения в зоне контакта показано, что влияние толщины зоны тепловыделения на температуру в контакте, особенно для частиц 5 10 мкм, мало и можно принять, что тепло выделяется в слое нулевой толщины; для металлических частиц размером < 50 мкм недопустимо условие адиабатичности, обычно применяемое при моделировании ударного деформирования макротел; при скорости, зависящей от размера частицы, в ней может появиться тонкий слой расплавленного металла и поддерживаться за счет тепловыделения в вязком пограничном слое;

- моделированием адгезионного взаимодействия частицы с преградой показано, что существует оптимальный для газодинамического напыления размер частиц (по вероятности закрепления на поверхности преграды);

- предложена модель, учитывающая зависимость процесса напыления от коллективного взаимодействия частиц с преградой.

2. Найдены режимы напыления из механической смеси мелкодисперсных порошков, позволяющие проводить синтез интерметаллидов на напыляемой поверхности непосредственно в процессе напыления.

3. Получены метал-полимерные (Си + тефлон) покрытия, имеющие электропроводность, близкую к электропроводности меди, и коэффициент трения, сравнимый с коэффициентом трения тефлона. Проведено

моделирование износа при трении исследованных композитов, результаты которого согласуется с экспериментальными данными.

4. Разработаны оборудование и технологии нанесения электропроводных коррозионностойких покрытий на электротехнические изделия и антикоррозионных покрытий на внутреннюю поверхность длинномерных труб; переносная (ручная) установка для нанесения порошковых покрытий методом ХГН, обеспечивающая нанесение покрытий на открытых площадках, для проведения ремонтных и восстановительных работ и т.д.

Основное содержание диссертации отражено в работах:

1. АлхимовА.П., Косарев В.Ф., ПапыринА.Н. Метод "холодного" газодинамического напыления//ДАН СССР. 1990. Т. 315. С. 1062-1065.

2. Патент РФ №1674585. Устройство для нанесения покрытий напылением / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. // БИ. 1993. № 18. С. 195.

3. Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. и др Новые материалы и технологии. Теория и практика упрочнения материалов в экстремальных процессах / Под ред. М.Ф. Жукова и В.Е.Панина. Новосибирск: Наука, 1992.197 с.

4. Патент РФ №1603581. Устройство для нанесения покрытия / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И., Папырин А.Н. // БИ. 1994. № 23. С. 196.

5. Патент РФ №1618777. Устройство для нанесения покрытия / АлхимовА.П., КосаревВ.Ф., НестеровичН.И., ПапыринА.Н., ШушпановМ.М. // БИ. 1991. № 1.С. 77.

6. Патент РФ №1618778. Способ получения покрытия / АлхимовА.П., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И., Папырин А.Н. // БИ. 1991. № 1. С. 77.

7. Патент РФ №1773072. Способ нанесения мегалопоронпсовых покрытий / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И., Папырин А.Н. // БИ. 1995. № 7. С. 262.

8. United States Patent № 5,302,414. Gas-dynamic spraying method for applying coating / Alkhimov A.P., KosarevV.F., Nesterovich N.I., PapyrinA.N., Shushpanov M.M. // Official Gazette. 1994. Vol. 1161, № 2.

9. European Patent № 0 484 533 Al. Method and device for coating / Alkhimov A.P., Kosarev V.F., Nesterovich N.I., Papyrin A.N., Shushpanov M.M. // Europian Patent Bullitin. 1992. № 20.

10. Патент РФ №2010619. Устройство для нанесения покрытий / АлхимовА.П., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. // БИ. 1994. № 7. С. 32.

11. Alkhimov А.Р. and Kosarev V.F. Laser diagnostics of supersonic two-phase jets // 8th Intern. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt2. Novosibirsk, 1996. P. 3 - 8.

12. Алхимов А.П., Клинков C.B., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. Газодинамическое напыление. Исследование плоской сверхзвуковой двухфазной струи // ПМТФ. 1997. Т. 38, №2. С. 176-183.

13. Патент РФ №2075535. Установка для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубы / Алхимов А.П., Гуляев В. П., Демчук А.Ф., Косарев В.Ф., Ларионов В.П., Спесивцев В.П. // БИ. 1997. № 8. С. 184-185.

14. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф. Место холодного газодинамического напыления среди газотермических методов нанесения покрытий. Новосибирск, 1995. 54 с. (Препр. / РАН. Сиб. отд-ние. Ин-т теор. и прикл. механики; № 5 - 95).

15. Патент РФ №2096877. Электротехническое соединительное изделие / Алхимов А.П., Демчук А.Ф., Косарев В.Ф., Кожевников В.Е. // БИ. 1997. №32 (И ч). С. 376.

16. Алхимов А.П., Косарев В.Ф., ПапыринА.Н. Газодинамическое напыление. Экспериментальное исследование процесса напыления // ПМТФ. 1998. Т. 39, № 2. С. 182 - 188.

17. Reexamination Certificate, United States Patent № 5,302,414 Gas-Dynamic Spraying Method for Applying Coating / Alkhimov A.P., KosarevV.F., Nesterovich N.I., Papyrin A.N., Shushpanov M.M. // Official Gazette. Feb. 25, 1997.

18. Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И. Научные основы технологии холодного газодинамического напыления (ХГН) // Тр. Междунар. научно-техн. конф. "Научные основы высоких технологий"/ В 6 т.; Т. 4. Материаловедение. Современные машины и технологии. Авиационная техника и технологии. Новосибирск, 1997. С. 177 -181.

19. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф. Исследование взаимодействия двухфазного потока с нагретой поверхностью // Теплофизика и аэромеханика. 1998. Т. 5, № I.C. 67-73.

20. Алхимов А.П., Демчук А.Ф., Косарев В.Ф., Спесивцев В.П. Установка для напыления на внутреннюю поверхность труб // Труды 5 Междунар. конф. "Пленки и покрытия-98". СПб, 1998. С. 117 -120.

21. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И. Газодинамическое напыление. Состояние и перспективы II Там же. С 20 - 25.

22. Алхимов А.П., Демчук А.Ф., Косарев В.Ф., ЛаврушинВ.В. Исследование технологических процессов нанесения токопроводящих коррозионностойких покрытий // Там же. С. 259 - 263.

23. Alkhimov А.Р., Klinkov S.V., Kosarev V.F. A study of supersonic air jets exhausted from a rectangular nozzle. // 9 th Intern. Conf. on The Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt 3. Novosibirsk, 1998. P. 41 - 46.

24. Алхимов А.П., Клинков C.B., Косарев В.Ф. Течение в сверхзвуковом сопле большого удлинения с прямоугольным сечением // Теплофизика и аэромеханика. 1999. Т. 6, № 1. С. 51 - 58.

25. Alkhimov А.Р., Kosarev V.F., Papyrin A.N. Spraying the current conducting coatings on electrotechnical unit by CGS method // Proc. of United Thermal Spray Conf. Dusseldorf, 1999. P. 288 - 290.

26. Алхимов А.П., Гулидов А.И., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И. Особенности деформирования микрочастиц при ударе о твердую преграду // ПМТФ. 2000. Г. 41, Xs 1.С. 204-209.

27. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф. Экспериментальное исследование деформации и соединения микрочастиц с преградой при высокоскоростном ударе // ПМТФ. 2000. Т. 41, № 2. С. 47 - 52.

28. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф. Натекание сверхзвуковой струи прямоугольного сечения на плоскую преграду // Теплофизика и аэромеханика, 2000. Т. 7, № 2. С. 225 - 232.

29. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф. Температура вблизи контактной границы при высокоскоростном соударении микрочастицы с поверхностью // Физическая мезомеханика. 2000. Т. 3, № 1. С. 53 -57 .

30. Алхимов А.П., Косарев В.Ф. Научные основы формирования покрытий методом холодного газодинамического напыления: Учебное пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. 84 с.

31. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф. Исследование теплообмена сверхзвуковой плоской струи с преградой в условиях газодинамического напыления И Теплофизика и аэромеханика. 2000. Т. 7, № 3. С. 389 - 396.

32. Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. и др. Высокоэнергетические процессы обработки материалов. Сер. "Низкотемпературная плазма". Т. 18 / Под ред. М.Ф. Жукова и В.М. Фомина. Новосибирск: Наука, 2000. 425 с.

33. Alkhiroov А.Р., Klinkov S.V., Kosarev V.F. Research of heat exchange of a supersonic jet of a rectangular cut with a surface for cold gasdynamic spraying //10 th Intern. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt 2. Novosibirsk, 2000. P. 3 - 8.

34. Alkhimov A.P., Klinkov S.V., Kosarev V.F. The Features of acceleration of particles in supersonic nozzles of a rectangular cut for cold gasdynamic spraying // Ibid. P. 9- 15.

35. Alkhimov A.P., Klinkov S.V., Kosarev V.F. The features of cold spray nozzle design // J. of Thermal Spray Technology. 2001. Vol. 10, № 2. P. 375 - 3 81.

36. Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Лаврушин B.B., Алхимов О.А. Установка газодинамического напыления переносного типа // Труды 6 Междунар. конф. "Пленки и покрытия-2001". СПб, 2001. С. 221 - 225.

37. Клинков С.В., Косарев В.Ф. Компьютерное приложение для дизайна сопловых узлов ХГН // Там же. С. 226 - 231.

38. Papyrin A.N., Alkhimov А.Р., Kosarev V.F., Klinkov S.V. Experimental study of interaction of supersonic two-phase jet with a substrate under cold spray И Intern. Thermal Spray Conf. and Exposition "Advancing Thermal Spray in the 21s' Century": Proc. Singapore. 2001. P. 423 - 431.

39. Клинков С.В., Косарев В.Ф. Моделирование адгезионного взаимодействия частиц с преградой при газодинамическом напылении // Физическая мезомеханика. 2002. Т. 5, № 3. С. 27 - 35.

40. Патент РФ № 2190695. Устройство газодинамического напыления порошковых материалов / АлхимовА.П., Косарев В.Ф., Лаврушин В.В., АлхимовО.А. // БИПМ. 2002. № 28 (II ч). С. 317.

41. Papyrin A.N., Kosarev V.F., Klinkov S.V. and Alkhimov A.P. On the interaction of high speed particles with a substrate under the cold spraying // Intern. Thermal Spray Conf. 2002 (ITSC 2002): Proc. Essen [Germany], 2002. P. 380 - 384.

42. Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Лаврушин B.B. Нанесение металл-полимерных покрытий методом холодного газодинамического напыления // Физическая мезомеханика. 2002. Т. 5, № 6. С. 101 - 108.

t А

Р - 7 5 6 3

Ответственный за выпуск В.Ф. Косарев Подписано к печати 15.04.2003

Формат бумаги 60x84/16. Усп печ. л. 1,9. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 120. Заказ №6

Отпечатано на ризографе ЗАО "ИНТЕРТЕК" 630090, Новосибирск-90, Институтская, 4/1

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ НАПЫЛЕНИЯ.

1.1 Течение в сверхзвуковом сопле большой длины.

1.1.1 Экспериментальное определение параметров газового потока на срезе плоского сверхзвукового сопла.

Описание экспериментальной установки.

Анализ экспериментальных результатов.

1.1.2 Расчет параметров газа внутри сопла.

I Учет вытесняющего действия пограничного слоя.

Расчет средних по сечению параметров потока.

1.2 Струйное истечение из сверхзвукового сопла прямоугольного выходного сечения.

1.2.1 Экспериментальная установка и методики исследования.

1.2.2 Экспериментальные результаты.

Профили числа Маха.

Профили избыточной температуры.

Продольное распределение осевых значений параметров.

Толщина струи.

Влияние нерасчетности.

1.3 натекание сверхзвуковой струи на преграду.

1.3.1 Экспериментальная установка.

1.3.2 Экспериментальные результаты.

1 Распределение давления на поверхности преграды.

Градиент скорости в точке торможения.

Сравнение распределения давления в струе и на поверхности преграды .62 \ Влияние расстояния от среза сопла до преграды. Колебания струи.

4 Пристенная струя.

Толщина сжатого слоя.

1.4 Теплообмен струи с преградой.

1.4.1 Методика измерения коэффициента теплообмена.

1.4.2 Коэффициент теплообмена.

1.4.3 Температура поверхности преграды.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2 СКОРОСТЬ УДАРА ЧАСТИЦ О ПРЕГРАДУ ПРИ

ГАЗОДИНАМИЧЕСКОМ НАПЫЛЕНИИ.

2.1 Экспериментальное измерение скорости частиц.

2.1.1 Методы диагностики.

Лазер-доплеровский измеритель скорости (ЛДИС).

Метод треков.

2.1.2 Экспериментальные результаты.

2.2 Расчет скорости и температуры частиц в момент удара.

2.2.1 Компьютерное приложение.

2.3 Оптимизация геометрических характеристик сопла для получения максимальной скорости удара.

2.3.1 Картина движения газа и частиц.

2.3.2 Модель расчета параметров газа и частиц.

2.3.3 Результаты по оптимизации параметров сопла по скорости частиц в момент удара.

2.3.4 Определение температуры частиц в момент удара.

Выводы по главе И.

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ХОЛОДНОГО ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ.

3.1 Зависимость процесса напыления от скорости частиц и температуры подогрева рабочего газа.

3.1.1 Описание установки.

3.1.2 Экспериментальные результаты.

3.2 Напыление при больших концентрациях частиц.

3.2.1 Критическая концентрация.

3.2.2 Влияние угла напыления.

3.3 Взаимодействие двухфазного потока с нагретой поверхностью и формирование на ней покрытий.

3.3.1 Экспериментальная установка.

3.3.2 Температура поверхности образца.

3.3.3 Экспериментальные результаты.

3.4 Напыление с возбуждением реакций высокотемпературного синтеза.

3.4.1 Условия проведения СВС реакций при газодинамическом напылении.

3.4.2 Экспериментальная установка и результаты.

3.4.3 Осесимметричные сопла с центральным телом.

3.4.3 Анализ покрытий.

3.5 Нанесение металл-полимерных покрытий методом ХГН.

3.5.1 Установка и материалы.

3.5.2 Результаты исследования.

3.5.3 Физико-технические свойства металл-полимерных тонких слоев и скомпактированных порошковых материалов.

Результаты исследования методом дифракции синхротронного излучения

Адгезионно-когезионная прочность.

Электросопротивление композитных материалов.

Триботехнические свойства тефлонсодержащих покрытий.

3.5.4 Моделирование трения металл-полимерного композита.

Основные принципы моделирования.

Результаты моделирования и обсуждение. ф Выводы по главе III.

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ОДИНОЧНЫХ ЧАСТИЦ С ПОВЕРХНОСТЬЮ.

4.1 Адгезионное взаимодействие одиночных частиц с подложкой.

4.1.1 Влияние скорости частиц, температуры рабочего газа и подготовки поверхности.

4.1.2 Активация поверхности частицами. Время задержки.

4.1.3 Критические параметры.

4.2 Деформация микрочастиц при высокоскоростном ударе.

4.2.1 Экспериментальная установка и методы измерений.

4.2.2 Методика измерений.

4.2.3 Статистическая обработка.

4.2.4 Результаты микроскопических исследований.

4.2.5 Зависимость деформации от скорости удара.

Выводы по главе IV.

ГЛАВА 5 МОДЕЛИРОВАНИЕ АДГЕЗИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ОДИНОЧНОЙ ЧАСТИЦЫ ПРИ ЕЕ

ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ

5.1 Оценки времени контакта и степени деформации частицы при высокоскоростном ударе.

5.2 Температура в контакте частица-подложка при высокоскоростном ударе

5.2.1 Аналитическое моделирование.

5.2.2 Результаты.

5.2.3 Численный расчет.

5.3 Образование интерметаллидов в зоне контакта при напылении алюминия на никель.

5.4 Особенности деформирования микрочастиц при ударе о твердую преграду

5.4.1 Исходные предпосылки.

5.4.2 Численное моделирование деформации частицы при высокоскоростном ударе.

5.4.3 Моделирование расплавленного слоя.

Толщина расплавленного слоя больше толщины вязкого слоя.

Толщина расплавленного слоя равна толщине вязкого слоя.

Температура расплавленного слоя.

5.5 Особенности адгезионного взаимодействия с подложкой нерасплавленной частицы.

5.5.1 Определяющее уравнение для числа образовавшихся связей.

5.5.2 Время контакта.

5.5.3 Диаграмма термического состояния частиц при ударе.

Прогреваемый объем.

Критические скорости.

Диаграмма термосостояний.

Объем материала при температуре плавления.

5.5.4 Температура контакта.

5.5.5 Энергия активации.

5.5.6 Энергия адгезии.

5.5.7 Упругая энергия.

5.5.8 Сравнение энергий.

5.5.9 Вероятность закрепления.

5.5.10 Задача оптимизации.

5.5.11 Полидисперсность.

5.6 Влияние активации поверхности на процесс газодинамического напыления

5.6.1 Энергия активации.

5.6.2 Численный эксперимент.

5.6.3 Результаты моделирования.

Зависимость запыленной площади от скорости частиц.

Зависимость запыленной площади от температуры частиц.

Выводы ПО главе V.

ГЛАВА 6 СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ И ВОПЛОЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ В КОНКРЕТНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ.

6.1 Основные свойства газодинамических покрытий.

6.1.1 Микроструктура покрытий.

6.1.2 Прочность сцепления.

6.1.3 Микротвердость покрытия.

6.1.4 Плотность, пористость, газопроницаемость.

6.1.5 Коррозионные свойства газодинамических покрытий.

6.2 Нанесение антикоррозионных покрытий на внутреннюю поверхность длинномерных труб.

6.2.1 Описание установки и принцип работы.

6.2.2 Свойства получаемых покрытий.

6.3 Нанесение электропроводныхкоррозионностойких покрытий на электротехнические изделия.

6.3.1 Описание технологии.

6.3.2 Методика испытания наконечников.

6.3.3 Результаты испытаний.

6.4 Установка газодинамического напыления переносного типа.

Выводы по главе VI.

Большой интерес к процессам взаимодействия многофазных потоков с преградой связан с созданием и развитием новых технологий нанесения порошковых покрытий, получения новых материалов, модификации поверхности и т. д.

В современных условиях особое значение приобретают проблемы надежности и долговечности машин и механизмов, экономного расходования материалов, энергии и трудовых ресурсов. Решение этих задач неразрывно связано с обеспечением эффективной защиты поверхностей деталей и конструкций от коррозии и изнашивания. Кроме того, по мере развития и совершенствования техники постоянно растут требования к орудиям труда и условиям их эксплуатации (повышение скоростей, температуры, нагрузок, агрессивности среды, уменьшение массы и др.). Применение традиционных конструкционных материалов уже не в состоянии в ряде случаев удовлетворить комплекс этих требований.

В связи с этим экономически и технически целесообразно развивать принципиально новый подход к выбору материалов уже на стадии проектирования. Механическая прочность детали гарантируется за счет применения одного материала, а специальные свойства поверхности обеспечиваются сплошным или локальным формированием на ней тонких слоев других материалов - покрытий, обладающих высоким уровнем требуемых свойств - коррозионной стойкости, износостойкости, твердости, жаростойкости и др. Такой путь представляет значительные резервы экономии сырьевых ресурсов. Применение технологического улучшения свойств поверхности материала расширяет перспективы проектирования и производства различного оборудования с более высоким уровнем эксплуатационных показателей.

Существуют различные способы поверхностной обработки, из которых важное место занимают различные методы порошкового напыления. В процессе больших качественных изменений, происходящих в современном промышленном производстве, напылению суждено стать одной из перспективнейших технологий, широкое применение которой будет сопровождаться повышением производительности оборудования для нанесения покрытий с оснащением его средствами механизации и автоматизации, а также появлением разнообразных и более совершенных методов напыления. Таким образом, можно говорить, что напыление развилось в особую технологию поверхностной обработки материалов, отличающуюся большим своеобразием и широкими областями применения.

Среди различных технологий нанесения покрытий из порошковых материалов, позволяющих решать указанные задачи повышения ресурса работы и восстановления деталей машин и механизмов, широкими комплексными возможностями обладают газотермические (газопламенные, плазменные, детонационные и др.) методы нанесения порошковых покрытий, позволяющие формировать покрытия из различных материалов и обеспечивать широкий спектр физико-химических и потребительских свойств [1, 2, 3,4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12,13, 14, 15]. Большой вклад в изучение высокотемпературных струйных течений и разработку физических основ газотермических методов нанесения покрытий внесен научными школами ИМЕТ им. А.А.Байкова РАН, ИМАШ РАН, МАТИ, НИАТ, ИТ СО РАН, ИГ СО РАН. Высокая эффективность и универсальность методов напыления определяется следующими принципиальными особенностями [5, 13, 2]:

1. Возможность нанесения покрытий из различных материалов - чистых металлов и сплавов на их основе, металлидных и металлических соединений, оксидов, органических веществ и ряда других материалов, в том числе в различных сочетаниях. Можно напылять различные материалы в несколько слоев, что позволяет получать покрытия со специальными характеристиками.

2. Получение покрытий на самых различных конструкциях и материалах - на металлах, стеклах, керамике, пластмассах, тканях, бумаге и т. д. Равномерное покрытие можно напылить как на большую площадь, так и на ограниченные участки больших изделий, тогда как нанесение покрытий погружением в расплав, электролитическое осаждение, диффузионное насыщение и другие методы могут быть использованы в основном для деталей, размеры которых не превышают рабочих объемов используемых для этих целей ванн или нагревательных устройств. Напыление является наиболее удобным и высокоэкономичным методом в случаях, когда необходимо нанести покрытие на часть большого изделия.

3. Технологический процесс напыления обеспечивает высокую производительность нанесения покрытия (до 20 кг/час) и характеризуется относительно небольшой трудоемкостью.

4. Напыление является одним из наиболее эффективных способов в случаях, когда необходимо значительно увеличить размеры детали (восстановление и ремонт изношенных деталей).

5. Возможность напыления различных материалов с помощью одного и того же оборудования изменением только режимов напыления.

6. Оборудование, на котором производят напыление, является сравнительно простым.

7. Напыление можно использовать для изготовления деталей различной формы. В этом случае напыление производят на поверхности оправки, которую после окончания процесса удаляют: остается оболочка из напыленного материала.

8. Не требуется специальной дорогостоящей обработки (очистки) продуктов, загрязняющих окружающую среду, в отличие от средств очистки и нейтрализации при гальванических видах обработки изделий и вакуумном напылении с том числе.

С помощью современных технологий газотермического напыления можно решить ряд важных задач. К ним, в первую очередь, следует отнести получение материалов и покрытий с уникальными свойствами, которые необходимы для развития новой техники.

Общим для всех газотермических методов является то, что материал покрытия нагревается и ускоряется в высокотемпературном газовом потоке. На поверхность подложки напыляемый материал поступает в виде мелких расплавленных или пластифицированных частиц, которые, ударяясь об нее, деформируются и, закрепляясь, образуют сплошное покрытие.

Первым изобретателем способа металлизации был М.Шооп, который после многочисленных опытов в 1912 году получил металлический слой, напыленный ручным пистолетом. В 1921 году Шооп создал аппарат серии PG, являющийся прототипом современных металлизационных аппаратов. В России газопламенную металлизацию начали применять с конца 20-х годов.

Источники нагрева распыленного материала, применяемые при металлизации, исключают возможность нанесения покрытий из непроводящих тугоплавких материалов. Прочность и плотность покрытий не всегда удовлетворяют жестким условиям эксплуатации [4, 16, 17].

Существенный толчок развитию методов напыления дало применение плазменных источников нагрева. Создание в конце 50-х годов надежной техники генерирования низкотемпературной плазмы, позволило разработать новые плазмотроны для нанесения покрытий. В настоящее время это один из наиболее развитых процессов плазменной обработки, позволяющий не только упрочнять поверхность конструкционных материалов, но и дающий возможность создавать новые композиционные материалы и покрытия, которые не могут быть получены другими методами [1, 10, 8, 18, 19, 20, 21].

В рассмотренных методах нанесения покрытий из порошковых материалов (газопламенный, плазменный) возможности варьирования кинетической энергии распыляемых частиц ограничены. Улучшение качества покрытий при использовании источников такого типа энергии достигаются следующими факторами: совершенствованием качества исходной подготовки поверхности подложки, подогревом подложки в процессе напыления, применением металлических подслоев, использованием мелкодисперсных порошков и мощных плазмотронов с соответствующими размерами и конфигурацией распылительных сопел, применением высокоэнтальпийных материалов, созданием контролируемой окружающей среды, последующей специальной обработкой покрытий, перегревом напыляемых частиц и пр. Однако многие технологические и конструкторские задачи, возникающие при создании новых образцов техники, не могут быть решены с помощью этих методов напыления. Поэтому поиск и разработка новых методов нанесения покрытий продолжается [22, 23, 24, 25, 26].

Эффективным способом улучшения качества покрытий является увеличение скорости соударения частиц с подложкой. Одним из широко развитых высокоскоростных методов является детонационно-газовый метод нанесения покрытий [7, 3, 6]. Он впервые был запатентован в 1955 году фирмой "Linde"(USA), входящей в корпорацию "Union Carbide" [6]. Детонационно-газовые покрытия успешно используются для упрочнения нагруженных поверхностей деталей, изготовленных из самых разнообразных материалов. Покрытия на основе различных материалов (металлов, сплавов, тугоплавких соединений, керамики и их композиций) отличаются высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами (плотностью, прочностью, теплостойкостью и пр.). Вместе с тем, детонационному напылению свойственны недостатки, связанные, в частности, с использованием взрывоопасных смесей типа ацетелен - кислород, импульсными режимами работы (когда покрытие наносится не непрерывно, а частыми выстрелами) и с возможностью нанесения покрытий только на те материалы, в которых не возникает остаточная деформация при воздействии взрывной волны. К недостаткам этого метода относится высокая стоимость оборудования и существенные требования к технике безопасности (взрывоопасность, высокий уровень шума (до 140 дБ) и т.д.) [5, 13].

В последние годы интенсивно развивается высокоскоростной газопламенный метод (HVOF) [31, 32, 33, 27 ]. В высокоскоростных газопламенных аппаратах кислород и топливо смешиваются в цилиндрической камере устройства, порошок инжектируется по оси. Далее следует сужающееся сопло, переходящее в трубку постоянного диаметра. В качестве топлива используются пропилен, ацетилен и в качестве окислителя кислород. Энергия, высвобождающаяся при горении, идет на нагрев и ускорение газа и порошка. Скорость рабочего газа зависит от композиции исходных газов, давления, температуры, плотности и сечения, через которое газ движется. По выходе из трубки постоянного сечения струя, истекающая с избытком давления с нерасчетностью около 2, расширяется и достигает сверхзвуковых скоростей. Максимальная скорость газа около 1400 м/с. Максимальная скорость частиц около 400 - 500 м/с для частиц размером 40 мкм [28, 29, 30].

В жидкотопливных высокоскоростных пламенных аппаратах в камеру впрыскивается жидкое топливо и кислород. Далее следует сверхзвуковое сопло Лаваля, вслед за которым располагается барель - трубка постоянного сечения. Число Маха на выходе сопла и соответственно входе барели М = 2. На выходе барели газовый поток еще сверхзвуковой и давление больше атмосферного. Продукты горения на выходе сопла образуют область пониженного давления, куда вводится порошок. Радиальное введение порошка в область пониженного давления позволяет уменьшить давление в дозаторе.

Высокое давление (5-10атм) позволяет получать большие скорости. Порошки меньше окисляются, т.к. находятся в потоке малое время из-за высоких скоростей, о чем говорит малое содержание окислов в покрытиях. Барель помогает обеспечить более однородный прогрев частиц. Смешение струи с окружающей атмосферой приводит к окислению частиц. Таким образом, ускорение частиц производится нерасчетной струей, имеющей 8-12 "бочек", и общей длиной около 20 см. Сильные звуковые волны от начала струи, то есть от среза сопла, возникают от взаимодействия вихрей турбулентного слоя смешения с ударными волнами. Интенсивность звука пропорциональна силе УВ, а длина волны - длине бочки.

Для поддержания в рабочем состоянии камеры сгорания, сопла и барели требуется применять водяное охлаждение, на котором теряется около 30 % энергии, выделяемой при сгорании топлива.

Отмечается существенное улучшение свойств покрытий при их получении с помощью высокоскоростных жидкотопливных аппаратов, что выражается в пониженном содержании окислов, более высокой адгезии, уменьшенной пористости [31, 32, 33, 34]. Однако этот метод, используя струю продуктов сгорания с температурой ~ 3000 К, также имеет значительные ограничения связанные с этим.

Наряду с очевидными достижениями в области газотермических методов нанесения покрытий выявлен ряд факторов негативного характера, связанных с использованием высокотемпературных струй [1, 3, 4, 5, 6, 7, 35]. Это, конечно же, накладывает определенные ограничения на области применения данных методов.

При движении порошка в высокотемпературной струе могут произойти ф значительные изменения его свойств (окисление, фазовые переходы, разложение и т.д.), что в ряде случаев является причиной невозможности нанесения покрытий с определенными, заданными свойствами.

Наличие высоких температур во многих случаях делает совершенно невозможным нанесение композиционных покрытий из механической смеси порошков, значительно различающимся по физико-химическим свойствам.

С уменьшением размера частиц, используемого при напылении, улучшается заполнение покрытия - плотность его увеличивается, объем микропустот уменьшается, строение покрытий становится более однородным, появляется возможность наносить тонкие поверхностные пленки покрытия. Однако слишком мелкие порошки не могут быть использованы для газотермических методов напыления, особенно это касается нетугоплавких материалов, т.к., будучи введенными в высокотемпературную струю, такие порошки могут в ней полностью испариться. По этой причине для напыления этими методами обычно используют порошки размером более 50 мкм.

Наличие высокотемпературной струи может явиться причиной существенного нагрева обрабатываемого изделия (особенно при напылении на достаточно мелкие детали).

В процессе напыления частицы могут образовывать при высоких температурах различные токсичные соединения, что вызывает необходимость I проведения дополнительных работ по защите обслуживающего персонала. К уже отмеченным выше недостаткам традиционных методов напыления (плазменный и детонационно-газовый) следует добавить сложность и высокую стоимость оборудования, малый ресурс работы отдельных узлов, а также сложность управления процессом напыления. Все это, является причиной необходимости поиска и создания новых методов напыления.

Выявленный в ИТПМ СО РАН эффект образования прочных покрытий при обтекании тел сверхзвуковым двухфазным потоком (газ + твердая частица) с температурой торможения газа 300 К [36, 37] показал, что наличие высоких температур в струе с расплавленными частицами не является необходимым условием формирования покрытий. При определенных параметрах двухфазной струи (скорости, концентрации, размера частиц и пластичности их материала) возможно формирование прочных покрытий при температуре существенно меньшей температуры плавления материала частиц, в процессе ударно-импульсного взаимодействия и пластической деформации в области контакта частиц и преграды. Сравнение основных параметров двухфазного потока, при которых был зарегистрирован эффект напыления, с параметрами, реализуемыми в газотермических методах напыления [38], показывает, что реализован новый метод нанесения покрытий, который был назван методом "холодного" газодинамического напыления (ХГН). Этот метод, показав свою уникальность и перспективность широкого практического использования, вызвал в России [39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47] и за рубежом [48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62] огромный интерес и потребовал всестороннего его исследования.

Изучению и обоснованию физических основ метода газодинамического напыления, исследованию различных вопросов (газодинамические аспекты натекания сверхзвуковых струй на преграду, теплообмена струи с преградой, ускорение частиц, их высокоскоростное взаимодействие с поверхностью преграды и т.д.), связанных с ним и посвящена данная работа.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Института теоретической и прикладной механики СО РАН по теме: "Динамика вязких жидкостей и газов. Исследование физических процессов в двухфазных потоках", (шифр 4.1.1. 10.1.8), по программе СО РАН "Механика, научные основы машиностроения и надежности машин", а также в рамках Программы СО РАН "Научные основы конструирования новых материалов и создание перспективных технологий" (шифр 6.4.1. 10.2.6) и интеграционных проектов № 57 ИТТТМ СО РАН и ИХ ДВО РАН "Металлокомпозитные материалы" и № 45 ИФПМ СО РАН и ИТПМ СО РАН "Физические процессы на границах раздела при получении гетерогенных материалов и покрытий".

Цель работы: исследование особенностей и закономерностей процессов формирования сверхзвуковых двухфазных (газ + тв. частицы) струй, их взаимодействия с преградой и формирования покрытий из мелкодисперсных твердых частиц; исследование основных закономерностей метода "холодного" газодинамического напыления (ХГН); экспериментальное исследование и моделирование адгезионного взаимодействия микрочастиц с преградой; разработка различных технологий напыления.

Автор защищает результаты:

1. Исследования течений в соплах с прямоугольным сечением сверхзвуковой части, истечения струй из таких сопел и натекания их на преграду, включая вопросы теплообмена струи с преградой.

2. Измерения и расчета скорости частиц, расчета оптимального сопла для напыления.

3. Исследования процессов формирования покрытий методом ХГН в зависимости от скорости и концентрации частиц, температуры струи и преграды.

4. Исследований нанесения покрытий из смеси различных порошковых материалов, в том числе, с возможностью возбуждения высокотемпературного синтеза.

5. Исследования высокоскоростного взаимодействия с преградой твердых (нерасплавленных) микрочастиц.

6. Моделирования адгезионного взаимодействия микрочастиц с поверхностью преграды в зависимости от их скорости и температуры.

7. Исследования свойств покрытий и разработки технологий ХГН.

Научная новизна заключается в следующем:

- установлено, что на параметры течения внутри сопла большой длины (L = 20 - 50 К) с прямоугольным сечением сверхзвуковой части, заметное влияние оказывает пограничный слой;

- зарегистрировано, что при определенных расстояниях от среза сопла до преграды наблюдается неустойчивость струи, выражающаяся в возникновении ее поперечных колебаний;

- определена толщина сжатого слоя при натекании струи на преграду;

- измерены распределения по поверхности преграды коэффициента теплообмена, рассчитана температура преграды и показано, что для теплопроводных материалов заметно снижение температуры поверхности в пятне напыления по сравнению с температурой торможения;

- измерены скорости частиц на срезе сопла, проведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных и предложена аппроксимационная зависимость скорости частиц от определяющих параметров задачи; предложено компьютерное приложение, позволяющее проводить расчет скорости и температуры частиц при газодинамическом напылении;

- поставлена и решена задача оптимизации параметров сопла (длина и толщина сверхзвуковой части сопла) по скорости удара частиц о преграду;

- получена зависимость степени деформации сферических алюминиевых частиц при высокоскоростном ударе от их кинетической энергии, позволяющая верифицировать результаты моделирования;

- моделированием тепловыделения в зоне контакта показано, что влияние толщины зоны тепловыделения на температуру в контакте, особенно для частиц dp < 10 мкм, мало и можно принимать, что тепло выделяется в слое нулевой толщины; для металлических частиц размером dp < 50 мкм недопустимо условие адиабатичности, обычно применяемое при моделировании ударного деформирования макротел; при скорости, зависящей от размера частицы, в ней может появиться тонкий слой расплавленного металла и поддерживаться за счет тепловыделения в вязком пограничном слое; моделированием адгезионного взаимодействия частицы с преградой показано, что существует оптимальный для газодинамического напыления размер частиц (по вероятности закрепления на поверхности преграды); предложена модель, учитывающая зависимость процесса напыления от коллективного взаимодействия частиц с преградой; найдены режимы напыления из механической смеси мелкодисперсных порошков, позволяющие проводить синтез интерметаллидов на напыляемой поверхности непосредственно в процессе напыления; получены метал-полимерные (Си + тефлон) покрытия, имеющие электропроводность близкую к электропроводности меди и коэффициент трения, сравнимый с коэффициентом трения тефлона; проведено моделирование износа при трении исследованных композитов, результаты которого согласуется с экспериментальными данными; разработаны оборудование и технологии нанесения электропроводных коррозионностойких покрытий на электротехнические изделия и антикоррозионных покрытий на внутреннюю поверхность длинномерных труб; переносная (ручная) установка для нанесения порошковых покрытий методом ХГН, обеспечивающая нанесение покрытий на открытых площадках, для проведения ремонтных и восстановительных работ и т.д.

Достоверность полученных результатов обоснована анализом методических ошибок используемых диагностических систем, сравнительным анализом экспериментальных и расчетных данных, полученных различными методами, а также их сопоставлением с известными данными.

Практическая ценность работы состоит в возможности создания нового поколения технологии использования полученных результатов для решения широкого круга научно-технических и производственных задач в области материаловедения, машиностроения, металлургии, электротехники, транспорта и т.д. при производстве продукции с коррозионностойкими, антифрикционными, электропроводящими, упрочняющими покрытиями, в том числе допускающей ограниченное термическое воздействие (из фольг, лент, неорганического стекла, токопроводящих керамик и т. п.).

В частности, результаты могут быть использованы:

• для создания или уточнения физических и математических моделей взаимодействия одиночных частиц с преградой;

• при разработке новых технологических процессов нанесения покрытий;

• при разработке установок и технологических линий различного назначения реализующих метод ХГН.

Результаты разработки метода ХГН и устройств для его реализации переданы и используются в ряде организаций Российской Федерации (НМЗ им. А.Н. Кузьмина, г. Новосибирск; СибНИА, г. Новосибирск; НИИ ВТ Мин-речфлота РФ, г. Новосибирск; МАИ, г. Москва; Западносибирский металлургический комбинат, г. Новокузнецк; НИЦ "Антикор" МПС, г. Новосибирск; и др. и зарубежом: Институт механики жидкостей DLR (Геттинген, ГЕРМАНИЯ), Институт исследования металлов КАН (Шэньян, КИТАЙ), Международный исследовательский центр передовых технологий порошковой металлургии и новых материалов (Хайдарабад, ИНДИЯ).

Апробация работы. Результаты работы докладывались и представлялись на следующих конференциях, семинарах и выставках:

1. X Всесоюзная научно-техническая конференция: Высокоскоростная фотография и метрология быстропротекающих процессов. Москва, 1981.

2. Всесоюзный семинар "Многофазные потоки в плазменной технологии. Проблемы моделирования". Барнаул 1984.

3. 12 Всесоюзная научно-техническая конференция "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология". Москва, 1985.

4. Всесоюзная научно-техническая конференция "Применение плазменных процессов и порошковых покрытий в промышленности". Свердловск, 1988.

5. Международное рабочее совещание "Высокотемпературные запыленные струи в процессах обработки порошковых материалов". Новосибирск, 1988.

6. Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике. Ташкент, 1986.

7. Всесоюзный научно-практический семинар. "Новые системы покрытий цинка и его сплавов с алюминием для защиты металлопроката и труб". Днепропетровск, 1990.

8. Конференция "Новые процессы и оборудование для нанесения покрытий". Москва, 1990.

9. Выставка "Сибирский прибор", Новосибирск, 1990.

Ю.Семинар "Работы в области восстановления и упрочнения деталей". Москва, 1991.

11.Выставка "Уголь-металл" (Международная ярмарка), Новокузнецк, 1994 г.

12.Международная конференция по плазменным покрытиям. США, Бостон, 1994.

13.Конференция "Состояние и перспективы восстановления и упрочнения деталей машин". Москва, 1994.

14.Региональный семинар "Новые технологии и научные разработки в энергетике". Новосибирск, 1994.

15. Между народная выставка "Технологии из России", США, Вашингтон, 1994 г.

16.4-ая Международная конференция "Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологий". Томск, 1995. 17.XVI Всеросийский семинар "Струйные и нестационарные течения в газовой динамике". Новосибирск, 1995. 18.1 конференция Сибирской Ассоциации Материаловедов "Материалы

Сибири". Новосибирск, 1995. 19.8th International Conference on the Methods of Aerophisical Research. Novosibirsk, 1996.

20.Симпозиум "Синергетика. Самоорганизующиеся технологии". Москва, 1996.

21.Сибирская ярмарка "Наука Сибири 96", Новосибирск, 1996. г.

22.3 Международное рабочее совещание "Генераторы термической плазмы и технологии" (приуроченная к 80-летию академика РАН М.Ф.Жукова). Новосибирск, 1997.

23.Международная научно-техническая конференция "Научные основы высоких технологий". Новосибирск, 1997.

24.5 Международная конференция "Пленки и покрытия '98". Санкт-Петербург, 1998 г

25.9 th International Conference On The Methods Of Aerophisical Research. Novosibirsk, 1998.

26.Thermal Spray Symposia at the ASM Materials Solutions Conference & Exposition. Rosemont, Illinois, USA, 1998.

27.United Thermal Spray Conference, Germany, Diisseldorf, 1999.

28."Materials Solutions, 1999", USA, Cincinnati, 1999.

29.10 th International Conference On The Methods Of Aerophisical Research. Novosibirsk, 2000.

30.6 Международная конференция "Пленки и покрытия '2001". Санкт-Петербург, 2001 г.

31. International Thermal Spray Conference and Exposition "Advancing Thermal Spray in the 21st Century", Singapore, 2001.

32.Восьмой Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. Пермь, 2001 г.

33.International Thermal Spray Conference 2002 (ITSC 2002), Essen, Germany,

2002.

Публикации. Основное содержание и результаты диссертации опубликованы в работах: [36, 37, 63, 69 - 72, 77, 78, 81 - 83, 92 - 109, 115, 118, 122,125 - 128,134 - 139, 141,144,147, 150 - 155].

Объем и структура работы. Общий объем диссертации составляет 293 страницы, в том числе 143 рисунка, 16 таблиц и списка литературы из 155 наименований.

Основное содержание работы. Во введении представлено обоснование Ф актуальности темы диссертации, отмечены особенности развиваемого направления и его основные задачи, сформулированы наиболее важные научные и практические результаты, представленные к защите.

В первой главе, рассмотрены вопросы ускорения мелкодисперсных частиц в сверхзвуковых соплах и формирования плоских сравнительно тонких двухфазных струй, обеспечивающих высокую производительность напыления по площади. Представлены экспериментальные и расчетные результаты исследования течения газа в соплах с прямоугольным сечением сверхзвуковой части. Показано, что отношение чисел Маха (отношение вычисленного или измеренного числа Маха к числу Маха для идеального газа) в исследованных диапазонах чисел Маха, угла раскрытия сверхзвуковой части сопла и других размеров зависит в основном от относительной толщины сопла h/L. Получены л профили М и избыточной температуры АТ0 =Т0—Та , осевые продольные у распределения pQ , р,

М\ АТо для воздушных затопленных струй. Исследовано влияние нерасчетности и показано, что длина сверхзвукового участка струи растет как Представлены результаты по взаимодействию сверхзвуковой струи с плоской преградой. Показано, что распределение давления по поверхности преграды вдоль меньшего размера сопла автомодельно и не зависит от угла встречи. При определенных расстояниях от среза сопла до преграды наблюдается неустойчивость струи, выражающаяся в возникновении ее поперечных колебаний. Профили числа Маха и избыточной температуры торможения пристенной струи автомодельны, причем толщина пристенного пограничного слоя пренебрежимо мала вплоть до расстояний x/h » 18. В случае околорасчетного истечения струи толщину сжатого слоя (величину отхода скачка уплотнения от поверхности) можно оценить значением 0,45й. Эксперименты по теплообмену сверхзвуковой струи с преградой показывают немонотонное изменение коэффициента теплопередачи в окрестности критической точки при увеличении дистанции. Максимальное значение достигается при z*/h « 5 - 7. Обработкой экспериментальных данных найдена аппроксимирующая функция распределения коэффициента теплопередачи по поверхности преграды. Используя экспериментальные данные по температуре торможения и коэффициенту теплообмена, в стационарном случае рассчитана температура преграды и показано, что за счет перераспределения тепла внутри преграды для теплопроводных материалов (к > 40 Вт/м-К) заметно снижение температуры поверхности в пятне напыления по сравнению с температурой торможения. Результаты исследований, полученные в данной главе, позволили непосредственно перейти к задачам, связанным с ускорением частиц в сверхзвуковом сопле, свободной струе и в области ударного сжатого слоя перед преградой, а затем и к задаче оптимизации параметров сопла по скорости частиц в момент удара.

Вторая глава посвящена экспериментальному и численному исследованиям по определению скорости частиц на срезе сопла при различных условиях ускорения. Проведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных и показано их хорошее соответствие. Представлено компьютерное приложение, позволяющее проводить быстрый предварительный анализ той или иной конфигурации соплового узла для установок холодного газодинамического напыления. Поставлена задача оптимизации параметров сопла (длина L и толщина h сверхзвуковой части сопла) по скорости частиц в момент удара и получено ее решение для характерных условий холодного газодинамического напыления. Показано, что существуют оптимальные значения L и А, которые в первом приближении линейно зависят от Ppdp, т.е. наблюдается подобие движения частиц разной плотности, если = Const. Рассчитана температура частиц в момент удара отнесенная к температуре торможения газа и показано, что она зависит от размера и плотности частиц и находится в среднем на уровне 0,6-0,8 (для оптимальных сопел). Проведенные исследования позволили перейти к изучению зависимости от скорости частиц процесса газодинамического напыления и высокоскоростного взаимодействия с поверхностью преграды микрочастиц.

Третья глава посвящена исследованию процессов формирования покрытий методом ХГН в зависимости от скорости и концентрации частиц, температуры струи и преграды, а также исследованиям по нанесению покрытий из смеси различных порошковых материалов, в том числе, с возможностью возбуждения высокотемпературного синтеза. Показано, что для исследованных металлических частиц (*/р<50мкм) существует критическая скорость vcr« 500 - 600 м/с взаимодействия их с подложкой. При vp < vCT наблюдается классический процесс эрозии, при vp > vCT он переходит в процесс напыления, т. е. в формирование на поверхности подложки плотного металлического слоя, причем с дальнейшим увеличением скорости характер формирования покрытия резко изменяется. В частности, значение коэффициента напыления для исследованных порошков увеличивается от нуля до 0,4 - 0,8 при vp « 1000 м/с. При использовании сверхзвуковой (М = 2,0-3,0) воздушной струи с небольшим подогревом (ЛГ< 400 К) получены покрытия из большинства металлов и многих сплавов (Al, Си, Ni, Zn, Pb, Sn, V, Co, Fe, Ti, бронза, латунь и др.) на различные подложки из металлов и диэлектриков (в частности, стекло, керамику и т. д.). Нагревая струю гелия и тем самым, обеспечивая vp > 1200 м/с, удалось получить покрытия из тугоплавких металлов (Nb, Mo и W). При этом коэффициент напыления порошков может достигать 0,5 - 0,8, что имеет чрезвычайно важное практическое значение при разработке конкретных технологических процессов. При скорости частиц меньше некоторого критического значения можно, увеличивая концентрацию частиц в струе, перейти от процесса эрозии подложки к процессу напыления. При исследовании зависимости процесса напыления от угла натекания показано, что при определенных углах на поверхности покрытия появляется волнистая структура. Проведенные эксперименты показали, что температура подложки также оказывает существенное влияние на закрепление частиц при их напылении. Определены условия формирования покрытий с образованием интерметаллидов при газодинамическом напылении, получены образцы и проведен их рентгено-структурный анализ, подтверждающий возможность синтеза интерметаллидов при газодинамическом напылении. При исследовании процессов нанесения метал-полимерных покрытий методом ХГН показано, что он не вносит ф, существенного увеличения удельного электросопротивления в токопроводящие покрытия по сравнению с исходным. Коэффициент трения такого композита при этом сравним с коэффициентом трения тефлона. Моделирование износа при трении исследованных композитов показало, что определенная в результате моделирования величина минимальной объемной концентрации, которая является достаточной для достижения высоких триботехнических свойств, хорошо согласуется с экспериментальными данными.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования высокоскоростного взаимодействия одиночных частиц с преградой и показано, что процесс взаимодействия двухфазной струи с подложкой можно разбить на три области в зависимости от скорости частиц.

Первая - при скорости частиц, меньшей некоторого критического значения уст, характеризуется тем, что при любом, сколь угодно большом времени воздействия двухфазной струи, покрытие не образуется, а наблюдается процесс эрозии.

Вторая - при скорости частиц vcr < v < vCT*. В этой области в зависимости от скорости частиц каждая точка поверхности должна испытать определенное число ударов, необходимое для ее очистки и активации, после чего частицы смогут на ней закрепиться. Очевидно, чем больше скорость частиц, тем меньше предварительных ударов необходимо, и при определенной скорости vp > vcr* они могут закрепиться на "естественной" подложке, т.е. время задержки напыления i\ = 0. Таким образом, третья область - это область vp > vCT*.

При напылении на движущую подложку в режиме vcr < vp < vcr* существует критическая концентрации частиц, которая обратно пропорциональна толщине струи h, линейно зависит от скорости подложки и, что особенно важно, от диаметра напыляемых частиц.

Представлены результаты экспериментального исследования высокоскоростного (400 - 1200 м/с) взаимодействия сферических алюминиевых частиц с поверхностью, включающие изучение формы частиц с помощью микроскопии и методы статистической обработки большого количества этих данных, зависимость степени деформации частиц от скорости их удара о преграду. Показано, что в исследованном диапазоне рр/рв и Я/Яв, эти параметры не оказывают существенного влияния на степень деформации частиц, а определяющим параметром является ppvp /Яр.

Таким образом, проведенный цикл экспериментальных исследований по высокоскоростному взаимодействию с преградой одиночных частиц, позволил понять основные закономерности газодинамического (да и других методов) напыления. Экспериментальные результаты, представленные в данной главе являются основой при верификации расчетов деформации частиц и моделирования тепловыделения при ударе и адгезионном взаимодействии частицы с подложкой.

В пятой главе представлены результаты моделирования тепловыделения в зоне контакта при пластической деформации при ударе частицы о поверхность преграды. Показано, что влияние толщины зоны тепловыделения на температуру в контакте, особенно для частиц dp< 10 мкм, мало и при анализе тепловой картины в микрочастицах можно принимать, что тепло при ударе выделяется в слое нулевой толщины. Для металлических частиц размером dp < 50 мкм существенны процессы теплопередачи в течение контакта и недопустимо условие адиабатичности, обычно применяемое при математическом моделировании ударного деформирования макротел. Показано, что при скорости, зависящей от размера частицы, в ней может появиться слой расплавленного металла (что косвенно подтверждено результатами исследования напыленных образцов методом дифракции синхротронного излучения), и, следовательно, для анализа распределения температуры в частице необходимо применять модели, учитывающие плавление. Анализ высокоскоростного пристенного течения металла частицы в радиальном направлении показывает, что при ударе металлической микрочастицы о твердую преграду вблизи поверхности может сформироваться и поддерживаться за счет тепловыделения в вязком пограничном слое тонкий слой расплавленного металла толщиной 5<0,015</р, в котором температура близка к температуре плавления металла частицы. Образованием такого слоя можно объяснить и само явление высокой адгезии частиц с подложкой при газодинамическом напылении. Представлена модель адгезионного взаимодействия частицы с преградой при газодинамическом напылении, качественно и количественно показывающая характер зависимости процесса напыления от скорости и размера частиц. Показано, что существует оптимальный (по вероятности закрепления на поверхности преграды) для газодинамического напыления размер частиц. Рассмотрено влияние коллективного взаимодействия падающих частиц с преградой и получено хорошее согласие результатов моделирования с экспериментальными результатами. Показано, что по истечение некоторого времени после начала экспозиции поверхности потоком частиц наступает лавинообразный рост площади запылении при vCT < vp < vCT*, что наблюдается экспериментально.

В шестой главе для анализа области применения газодинамических покрытий и сравнения их свойств со свойствами газопламенных, плазменных и детонационных покрытий, а также для расширения представлений о механизме формирования покрытий, и возможности их практического использования, представлены результаты исследований основных свойств покрытий: микроструктуры; адгезионно-когезионной прочности сцепления; микротвердости; пористости; плотности; газопроницаемости и антикоррозионных свойств в соляных и кислых средах. Описаны технологии и установки, использующие метод "холодного" газодинамического напыления (ХГН) и запатентованные в России и за рубежом, в частности, нанесение коррозионно-стойких покрытий на внутреннюю поверхность длинномерных (до 12 м) труб; нанесение электропроводных коррозионностойких покрытий на электротехнические изделия; установка газодинамического напыления переносного типа.

Основные результаты и выводы

1. В результате проведения комплекса исследований созданы научные основы метода холодного газодинамического напыления:

- установлено, что на параметры течения внутри сопла большой длины (L = 20 - 50 К) с прямоугольным сечением сверхзвуковой части, заметное влияние оказывает пограничный слой;

- зарегистрировано, что при определенных расстояниях от среза сопла до преграды наблюдается неустойчивость струи, выражающаяся в возникновении ее поперечных колебаний;

- определена толщина сжатого слоя при натекании струи на преграду;

- измерены распределения по поверхности преграды коэффициента теплообмена, рассчитана температура преграды и показано, что для теплопроводных материалов заметно снижение температуры поверхности в пятне напыления по сравнению с температурой торможения;

- измерены скорости частиц на срезе сопла, проведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных и предложена аппроксимационная зависимость скорости частиц от определяющих параметров задачи; предложено компьютерное приложение, позволяющее проводить расчет скорости и температуры частиц при газодинамическом напылении;

- поставлена и решена задача оптимизации параметров сопла (длина и толщина сверхзвуковой части сопла) по скорости удара частиц о преграду;

- получена зависимость степени деформации сферических алюминиевых частиц при высокоскоростном ударе от их кинетической энергии, позволяющая верифицировать результаты моделирования;

- моделированием тепловыделения в зоне контакта показано, что влияние толщины зоны тепловыделения на температуру в контакте, особенно для частиц dp < 10 мкм, мало и можно принимать, что тепло выделяется в слое нулевой толщины; для металлических частиц размером dp< 50 мкм недопустимо условие адиабатичности, обычно применяемое при моделировании ударного деформирования макротел; при скорости, зависящей от размера частицы, в ней может появиться тонкий слой расплавленного металла и поддерживаться за счет тепловыделения в вязком пограничном слое;

- моделированием адгезионного взаимодействия частицы с преградой показано, что существует оптимальный для газодинамического напыления размер частиц (по вероятности закрепления на поверхности преграды);

- предложена модель, учитывающая зависимость процесса напыления от коллективного взаимодействия частиц с преградой.

2. Найдены режимы напыления из механической смеси мелкодисперсных порошков, позволяющие проводить синтез интерметаллидов на напыляемой поверхности непосредственно в процессе напыления.

3. Получены метал-полимерные (Си + тефлон) покрытия, имеющие электропроводность близкую к электропроводности меди и коэффициент трения, сравнимый с коэффициентом трения тефлона. Проведено моделирование износа при трении исследованных композитов, результаты которого согласуется с экспериментальными данными.

4. Разработаны оборудование и технологии нанесения электропроводных коррозионностойких покрытий на электротехнические изделия и антикоррозионных покрытий на внутреннюю поверхность длинномерных труб; переносная (ручная) установка для нанесения порошковых покрытий методом ХГН, обеспечивающая нанесение покрытий на открытых площадках, для проведения ремонтных и восстановительных работ и т.д.

Обобщенные результаты данной работы позволяют рассматривать их как новое научное направление в механике жидкости, газа и плазмы: формирование покрытий из микрочастиц методом холодного газодинамического напыления.

В заключение автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность чл. корр. РАН В.М. Фомину за всестороннюю поддержку данного направления, д. ф. - м. н., профессору А.Н. Папырину, к.ф.-м.н. |Н.И. Нестеровичу|, д.т.н. А.П.Алхимову, и к.ф.-м.н. С.В. Клинкову, в тесном и плодотворном сотрудничестве с которыми была создана экспериментальная база, выбраны направления и методики исследований, получен ряд важных научных результатов.

Автор благодарен всем сотрудникам лаборатории "Физики многофазных сред" за помощь в проведении экспериментов, полезные обсуждения и замечания.

Н.И. Нестеровичу

19 Максимович Г.Г., Шатинский В.Ф., Копылов В.И. Физико-химические процессы при плазменном напылении и разрушении материалов с покрытиями. Киев, Наукова думка, 1983, 264 с.

20 Самсонов Г.В., Эпик А.П. Тугоплавкие покрытия М., Металлургия, 1973, 400 с.

21 Борисов Ю.С., Борисова A.JI. Плазменные порошковые покрытия. Киев, Техника, 1986, 222 с.

22 Получение покрытий высокотемпературным распылением. Сб. статей, под ред. Дружинина JI.K. и Кудинова В.В., Атомиздат, 1973, 312 с.

23 Кудинов В.В. Нанесение покрытий распылением. Сб. "Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов". М., Наука, 1973,158 с.

24 Новые методы нанесения покрытий напылением. Тез. докл. и сообщений Всесоюзного научно-технического совещания. Ворошиловградский машиностроительный институт, 1976, 180 с.

25 Шоршоров М.Х., Кудинов В.В., Харламов Ю.А. Состояние и перспективы развития нанесения покрытий распылением. ФХОМ, 1977, № 5, с. 13 - 24.

26 Самсонов Г.В., Борисов A.JI. Состояние и перспективы использования защитных покрытий в народном хозяйстве. Защитные покрытия на металлах. Киев, 1977, вып. 11, с. 3 - 13.

27 A.R.Nicoll, A.Bachmann, J.R.Moens and G.Loewe. The Application of High Velocity Combustion Spraying // Proc. of the International Thermal Spray Conference & Exposition, Orlando, Florida, USA, 28 May- 5 June, 1992, p. 811 -816.

28 Swank N.D., Finke J.R., Haggard D.C., Irons G., Bullock R. HVOF particle flow field characteristics // Proc. of the 7th National Spray Conferens. Boston. Massachusetts, 20-24 june, 1994.- Boston, 1994.

29 Swank N.D., Finke J.R., Haggard D.C., Irons G. HVOF gas flow field Ш characteristics // Proc. of the 7th National Spray Conferens. Boston.

Massachusetts, 20-24 june, 1994.- Boston, 1994.

30 Knight R., Smith R.W., Xiao Z., Hoffman T.T. Particle velocity measurements in HVOF and APS systems // Proc. of the 7th National Spray Conferens. Boston. Massachusetts, 20-24 june, 1994,- Boston, 1994.

31 Irons G. Higher velocity thermal spray processes produce better aircraft engine coatings // 28th Annual Aerospace/Airline Plating & Metal Finishing Forum & Exposition, San Diego, California, April 20-23,1992. - San Diego, 1992.

32 Thorpe M.L., Richter H.J. A pragmatic analysis and comparison of the HVOF process // Proc. of the International Thermal Spray Conference & Exposition, Orlando, Florida, USA, 28 may- 5 june, 1992. - Orlando, 1992.

1.В., Иванов В.М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. М.,

2. Машиностроение, 1981, 192 с.

3. Анциферов В.Н., Бобров Г.В., Дружинин J1.K. и др. Порошковая металлургияи напыленные покрытия: Учебн. для вузов.-М.: Металлургия, 1987.

4. Бартенев С.С., Федько Ю.П., Григоров А.И. Детонационные покрытия вмашиностроении. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982.

5. Кречмар Э. Напыление металлов, керамики и пластмасс.-М.:1. Машиностроение, 1966.

6. Хасуй А. Техника напыления.- М.: Машиностроение, 1975.

7. Зверев А.И., Шаривкер С.Ю., Астахов Е.А. Детонационное напылениепокрытий.- Л.: Судостроение, 1979.

8. Шоршоров М.Х., Харламов Ю.А. Физико-химические основы детонационногазового напыления покрытий, М., Наука, 1978 г, 224 с.

9. Кудинов В.В. Плазменные покрытия. М.,1974, 184 с.

10. Кулик А.Я., Борисов Ю.С., Миухин А.С., Никитин Н.Д. Газотермическоенапыление композиционных порошков. Л., "Машиностроение", Лен. отделение, 1985,199 с.

11. Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко С.А., Ардатовская Е.Н. Газотермические покрытия из порошковых материалов. К., "Наукова думка", 1987.

12. Жуков М.Ф., Солоненко О.П. Высокотемпературные запыленные струи в процессах обработки порошковых материалов. Под ред. Накорякова В.Е., ИТФ СО АН СССР, Новосибирск, 1990, 516 с.

13. Кудинов В.В., Пекшев П.Ю., Белащенко В.Е., Солоненко О.П., Сафиулин В.А. Нанесение покрытий плазмой. М., "Наука", 1990, 408 с.

14. Хасуй А., Моригаки О. Наплавка и напыление.- М.: Машиностроение, 1985.

15. K.Kempton Where Thermal Spray Coatings Are Most Cost Effective. Welding Journal, v.70, N 8,1991, p. 41 50.

16. Terry Tester Continual development in the Thermal Spray industry. Welding & Joining, March, 1998, p. 4 6.

17. Говорин E.B. Газоплазменное напыление из порошков. Обзор. М., ЦИНТИ химнефтемаш, 1981, 46 с.

18. Линник В.А., Пекшев П.Ю. Современная техника газотермического нанесения покрытий. М., Машиностроение, 1985, 128 с.

19. Костиков В.Н., Шестерин Ю.А. Плазменные покрытия. М., Металлургия, 1978,159 с.пластической деформации на мезоуровне композиций с газодинамически напыленными покрытиями // Физическая мезомеханика 2000 г., т.З, № с. 97-106.

20. С.И.Кондратов, В.А.Константиновский, В.В.Чигарев Метод высокоскоростного напыоения антикоррозионного алюминиевого покрытия // Сварочное производство, 1992, № 6, с. 15.

21. R.C.McCune, A.N.Papyrin, J.N.Hall, W.L.Riggs, P.H.Zajchowski An Exploration of the Cold Gas Dynamic Spray Method for Several Materials Systems, Proc. 8th NTSC 11-15 Sept. 1995, Houston, Texas, USA, p.1-6.

22. A.E.Segal, A.N.Papyrin, J.C.Conwey, and D.Shapiro A Cold-Gas Spray Coating Process for Enhancing Titanium // JOM, vol.50, N 9, Sept., 1998, p. 52-54.

23. T.Shmyreva, E.Popov, A.Papyrin and E.Smith Powders and new materials. Proceedings of United Thermal Spray Conference, Dusseldorf, Marth 17-19, 1999, p. 736-739.

24. R.C.McCune, W.T.Donlon, E.L.Cartwright, A.N.Papyrin, E.F.Rybicki, J.R.Shadley Characterization of Cooper and Steel Coatings Made by the Cold Gas-Dynamic Spray Method, Proc. 9th NTSC 7-11 Oct. 1996, Cincinnati, Ohio, USA, p.397-403.

25. R.C.Dykhuizen and M.F.Smith Gas Dynamic Principles of Cold Spray // Journal of Thermal Spray Technology, June 1998, Vol. 7, No. 2, p. 205 212.

26. T.H.Van Steenkiste, J.R.Smith, R.E.Teets Aluminum coatinga via kinetic spray with relatively large powder particles // Surface and Coatings Technology, 2002, vol.154, p.237-252.

27. T.Stoltenhoff, H.Kreye, H.J.Richter, H.Assadi "Optimization of the Cold Spray Process" Proc. International Thermal Spray Conference and Exposition "Advancing Thermal Spray in the 21st Century", Singapore, May 28 30,2001, p.409-416.

28. B.Jodoin "Effects of Shock Waves on Impact Velocity of Cold Spray Particles" Proc. International Thermal Spray Conference and Exposition "Advancing Thermal Spray in the 21st Century", Singapore, May 28 30, 2001, p.399 - 407.

29. Thorpe M.L., Thorpe R.J. Hight pressure HVOF an update // Proc. of the 1993 National Thermal Spray Conf., Anahiem, С A, 7-11 june, 1993. - Anahiem, 1993.

30. Hackett C.M., Settles G.S, Miller J.D. On the gas dynamics of HVOF thermal sprays // Proc. of the 1993 National Thermal Spray Conf., Anahiem, CA, 7-11 june, 1993. Anahiem, 1993.

31. Получение покрытий высокотемпературным распылением. Сб. статей. Под ред. Дружинина JI.K. и Кудинова В.В. М., Атомиздат, 1973, 312 с.

32. Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. Метод "холодного" газодинамического напыления.// ДАН СССР, т.315, 1990, с.1062-1065.

33. Алхимов А.П., Папырин А.Н. Способ получения алюминиевых покрытий. А-с.СССР №1246638, 1986.

34. K.Kempton Where Thermal Spray Coatings Are Most Cost Effective Welding Journal, August, 1991, p. 41-44.

35. Ю.В.Полежаев, Д.С.Михатулин, П.В.Никитин Моделирование межфазного обмена в гетерогенных средах с целью разработки высокоэффективных технологий //ИФЖ, 1998, т.71, № 1, с. 19-29.

36. Данченко B.H., Миленин A.A., Головко А.Н. Пластическое деформирование металлических частиц при газодинамическом напылении // Порошковая металлургия. 1998. № 7/8. С 10 15.

37. Т.С.Куницына, А.О.Токарев Особенности разрушения при отрыве алюминиевого покрытия, полученного на углеродистой стали холодным газодинамическим напылением // Теплофизика и аэромеханика, 1995, т. 2, № 4, с. 393 397.

38. Данченко В.Н., Кондратьев С.В., Головко А.Н. Нанесение металлических покрытий методом газодинамического напыления // металлургическая и горнорудная промышленность. 1997. № 3. С 46 49.

39. Г.И.Артамонов, Н.И.Нестерович, С.М.Кишкин, Н.Д.Ковика Установка для нанесения алюминиевого и эпоксидного антикоррозионных покрытий газодинамическим способом // Сварочное производство, 1994, № 7, с. 24-25.

40. С.В.Панин, А.П. Алхимов, В.А.Клименов, Н.Н.Коробкина, О.Н.Нехорошков Исследование влияния адгезионной прочности на характер развития

41. M.K.Decker, R.A.Neiser, D.Gilmore, H.D.Tran "Microstructure and Propirties of Cold Spray Nickel" Proc. International Thermal Spray Conference and Exposition "Advancing Thermal Spray in the 21st Century", Singapore, May 28 30, 2001, p.433 - 439.

42. K.Sakaki, Y.Shimizu "Improvement in Wire Arc Spray by Super Sonic Cold Gas Jet" Proc. International Thermal Spray Conference and Exposition "Advancing Thermal Spray in the 21st Century", Singapore, May 28 30, 2001, p.441 - 445.

43. T.Stoltenhoff, J.Voyer and H.Kreye "Cold spraying state of the art and applicability" Proc. International Thermal Spray Conference 2002 (ITSC 2002), Essen, Germany, March 4-6, 2002, p.385 - 393.

44. P. Richter, D.W.Krommer and P.Heinrich "Equipment engineering and process control for cold spraying" Proc. International Thermal Spray Conference 2002 (ITSC 2002), Essen, Germany, March 4 6, 2002, p.394 - 398.

45. K.Sakaki, N.Huruhashi, K.Tamaki and Y.Shimizu "Effect of nozzle geometry on cold spray process" Proc. International Thermal Spray Conference 2002

46. SC 2002), Essen, Germany, March 4 6, 2002, p.399 - 403.

47. А.П. Алхимов, C.B. Клинков, В.Ф. Косарев Течение в сверхзвуковом сопле большого удлинения с прямоугольным сечением // Теплофизика и аэромеханика, 1999, т. 6, № 1, с. 51 58.

48. Абрамович Г.И. Прикладная газовая динамика. М., Наука, 1969, 824 с.

49. D.R.Bartz, "An Approximate Solution of Compressible Turbulent Boundary-Layer development and Convective Heat Transfer in Convergent-Divergent Nozzles", Trans. ASME, v. 77, N 8,p. 1235-1245.

50. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М., Наука, 1969, 742 с.

51. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин. М., Энергия, 1970, 384 с.

52. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М., Наука, 1970, 904 с.

53. А.Р. Alkhimov and V.F. Kosarev Laser Diagnostics Of Supersonic Two-Phase Jets. // 8th International Conference On The Methods Of Aerophisical Research. 1996. Proceedings, Part 2, p. 3 8.

54. Алхимов А.П., Клинков C.B., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. Газодинамическое напыление. Исследование плоской сверхзвуковой двухфазной струи //ПМТФ. 1997. Т. 38, № 2., с. 176 183.

55. Alkhimov A.P., Klinkov S.V., Kosarev V.F. A study of supersonic air jets exhausted from a rectangular nozzle. // 9 th Intern. Conf. on The Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt 3. Novosibirsk, 1998. P. 41 46.

56. Гиневский A.C. Теория турбулентных струй и следов. Интегральные методы расчета. М.: Машиностроение, 1969.

57. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1984.

58. Вулис JI.A., Кашкаров В.П. Теория струй вязкой жидкости. М.: Наука, 1965.

59. Авдуевский B.C., Ашратов Э.А., Иванов А.В., Пирумов У.Г. Сверхзвуковые неизобарические струи газа. М.: Машиностроение, 1985.

60. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф. Натекание сверхзвуковой струи прямоугольного сечения на плоскую преграду // Теплофизика и аэромеханика, 2000. Т. 7, № 2. С. 225 232.

61. Белов И.А. Взаимодействие неравномерных потоков с преградами. Л.: -Машиностроение, 1983.

62. Юдаев Б.Н., Михайлов М.С., Савин В.К. Теплообмен при взаимодействии струй с преградами. М.: Машиностроение, 1977.

63. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф. Исследование теплообмена сверхзвуковой плоской струи с преградой в условиях газодинамического напыления // Теплофизика и аэромеханика. 2000. Т. 7, № 3. С. 389 396.

64. Alkhimov А.Р., Klinkov S.V., Kosarev V.F. Research of heat exchange of a supersonic jet of a rectangular cut with a surface for cold gasdynamic spraying // 10 th Intern. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt 2. Novosibirsk, 2000. P. 3 8.

65. Юдаев Б.Н., Михайлов M.C., Савин В.К. Теплообмен при взаимодействии струй с преградами. — М.: Машиностроение, 1977.

66. Belov I.A., Pamadi B.N. Jet impingement upon flat plate // IIT-AERO-TN -Bombay Inst, of Technology, 1970, № 3, P. 89.

67. Белов И.А., Гинзбург И.Г., Зазимко B.A., Терпигорьев B.C. Влияние турбулентности струи на ее теплообмен с преградой // В кн Тепло и массоперенос. Минск, ИТМО, 1969, т.2, С. 167 - 183.

68. Губанова О.И., Лунев В.В., Пластинина Л.И. О центральной срывной зоне при взаимодействии сверхзвуковой недорасширенной струи с плоской преградой // Изв АН СССР, МЖГ 1971. - № 2. - С. 135 - 138.

69. Волчков Э.П., Семенов С.В. Основы теории пограничного слоя. -Новосибирск, ИТФ СО РАН, 1994.

70. Kalghatgi G.T., Hunt B.L. The occurence of stagnation bubbles in supersonic jet impingement flows // Aeronaut. Quarterly, 1976, Vol. 27, P. 169 185.

71. Алхимов А.П., Арбузов B.A., Папырин A.H., Солоухин Р.И., Штейн М.С. Лазерный доплеровский измеритель скорости для исследования газодинамических потоков. ФГВ, 1973, №4, с. 585 596.

72. Алхимов А.П., Папырин А.Н., Предеин А.Л. Экспериментальное исследование эффекта скоростного отставания частиц в сверхзвуковом потоке газа. ПМТФ №4,1977, с. 80 87.

73. Клинков С.В., Косарев В.Ф. Компьютерное приложение для дизайна сопловых узлов ХГН // Труды 6 Междунар. конф. "Пленки и покрытия-2001". СПб, 2001. С. 226 231.

74. United States Patent № 5,302,414. Gas-dynamic spraying method for applying coating / Alkhimov A.P., Kosarev V.F., Nesterovich N.I., Papyrin A.N., Shushpanov M.M. // Official Gazette. 1994. Vol. 1161, № 2.

75. European Patent № 0 484 533 A1. Method and device for coating / Alkhimov A.P., Kosarev V.F., Nesterovich N.I., Papyrin A.N., Shushpanov M.M. // Europian Patent Bullitin. 1992. № 20.

76. Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Папырин A.H. Перспективы использования метода ХГН для восстановления и упрочнения деталей.// Работы в области восстановления и упрочнения деталей. Материалы семинара, ч.И, Москва, 1991, 3стр.

77. Алхимов А.П., Демчук А.Ф., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. Газодинамические покрытия в энергетике. Н Региональный семинар "Новые технологии и научные разработки в энергетике". Тезисы докладов. Выпуск 1. Новосибирск, 1994, стр. 19-22.

78. Алхимов А.П., Косарев В.Ф. Компактирование новых материалов методом ХГН. //1 конференция Сибирской Ассоциации Материаловедов "Материалы Сибири". Тезисы докладов. Новосибирск, 1995, стр. 114-115.

79. Alkhimov A.P., Klinkov S.V., Kosarev V.F. The features of cold spray nozzle design // J. of Thermal Spray Technology. 2001. Vol. 10, № 2. P. 375 381.

80. Киселев С.П., Руев Г.А., Трунев А.П., Фомин В.М. и др. Ударно-волновые процессы в двухкомпонентных и двухфазных средах. Новосибирск, ВО "Наука" Сиб. Изд. Фирма, 1992 г., 261 с.

81. Патент РФ №1618778. Способ получения покрытия / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И., Папырин А.Н. // БИ. 1991. № 1. С. 77.

82. Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. и др Новые материалы и технологии. Теория и практика упрочнения материалов в экстремальных процессах / Под ред. М.Ф. Жукова и В.Е.Панина. Новосибирск: Наука, 1992. 197 с.

83. Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. Газодинамическое напыление. Экспериментальное исследование процесса напыления //ПМТФ. 1998. Т. 39, №2. С. 182- 188.

84. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И. Газодинамическое напыление. Состояние и перспективы // Труды 5 Междунар. конф. "Пленки и покрытия-98". СПб, 1998. С 20 25.

85. Алхимов А.П., Косарев В.Ф. Научные основы формирования покрытий методом холодного газодинамического напыления: Учебное пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. 84 с.

86. Сб. Эрозия. Под ред. К.Прис, М., Мир, 1982, 464 с.

87. Кудинов В.В. Плазменные покрытия. М.: Наука, 1977. - 184 с.

88. Гавриленко Т.П., Николаев Ю.А., Прохоров Е.С., Ульяницкий В.Ю. О механизмах образования покрытий при газотермическом напылении // ФГВ. 1990.-№2.-С. 110-123.

89. Лысенко Е.С., Чернявский И.Я., Туров В.Ф. Влияние параметров напыления на плотность и прочность сцепления силикатных плазменных покрытий // Порошковая металлургия. 1976. - № 1 (157). - С. 35 - 39.

90. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф. Исследование взаимодействия двухфазного потока с нагретой поверхностью // Теплофизика и аэромеханика. 1998. Т. 5, № 1. С. 67 73.

91. Теплотехнический справочник. Т. 1 / Под ред. С.Г. Герасимова,

92. Я.А. Кагана, П.Д. Лебедева и др. М.: Гос. энергетическое изд - во, 1957. -728 с.

93. Гусев В.М., Соловьев Б.М. Возможность получения интерметаллидных покрытий из механических смесей газотермическим напылением // ПМ № 8 1985.

94. Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. и др. Высокоэнергетические процессы обработки материалов. Сер. "Низкотемпературная плазма". Т. 18 / Под ред. М.Ф. Жукова и В.М. Фомина. Новосибирск: Наука, 2000. 425 с.

95. Бузник В.М., Цветков А.К. Вестник ДВО РАН, 1993 г., № 3, с. 39 47.

96. Бузник В.М., Матвеенко Л.А. Химия в интересах устойчивого развития, 1996 г., №4, с. 489-496.

97. Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Лаврушин В.В. Нанесение металл-полимерных покрытий методом холодного газодинамического напыления // Физическая мезомеханика. 2002. Т. 5, № 6. С. 101 108.

98. Belyev E.Yu., Lomovsky O.I., Denisov M.G. Formation of Metal Matrix Composite Materials upon Intensive Mechanical Treatment, 2 nd Europ. Cong. Stainless Steel, Dusseldorf, 1996.

99. Кудинов B.B., Иванов B.M. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. М., "Машиностроение", 1981, 192 с.

100. Papyrin A.N., Kosarev V.F., Klinkov S.V. and Alkhimov A.P. On the interaction of high speed particles with a substrate under the cold spraying // Intern. Thermal Spray Conf. 2002 (ITSC 2002): Proc. Essen Germany. 2002. P. 380 384.

101. Алхимов А.П., Клинков C.B., Косарев В.Ф. Экспериментальное исследование деформации и соединения микрочастиц с преградой при высокоскоростном ударе // ПМТФ. 2000. Т. 41, № 2. С. 47 52.

102. Ф.Ф. Витман и Н.А. Златин О процессе соударения деформируемых тел и его моделировании. I (состояние и теория вопроса) // Журнал технической физики. 1963. № 8. С. 982 989.

103. JI.B. Беляков, Ф.Ф. Витман и Н.А. Златин О процессе соударения деформируемых тел и его моделировании. II (о моделировании удара шара по полупространству) // Журнал технической физики. 1963. № 8.1. С. 990 995.

104. Златин Н.А., Красильщиков А.П., Мишин Г.И., Попов Н.Н. Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях. М.: Наука, 1974, 344 С.

105. D.J. Gardner, J.A.M. McDonnell, I. Collier Hole growth characterisation for hypervelocity impacts in thin targets IJIE Vol. 19, No 7, 589-602, 1997.

106. J.A.M. McDonnell HVI phenomena: applications to space missions IJIE 23, 597619,1999.

107. Патент РФ № 2075535. Установка для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубы / Алхимов А.П., Гуляев В. П., Демчук А.Ф.,

108. Косарев В.Ф., Ларионов В.П., Спесивцев В.П. // БИ. 1997. № 8. С. 184-185.

109. Патент РФ № 2096877. Электротехническое соединительное изделие / Алхимов А.П., Демчук А.Ф., Косарев В.Ф., Кожевников В.Е. // БИ. 1997. № 32 (II ч). С. 376.

110. Алхимов А.П., Демчук А.Ф., Косарев В.Ф., Спесивцев В.П. Установка для напыления на внутреннюю поверхность труб // Труды 5 Междунар. конф. "Пленки и покрытия-98". СПб, 1998. С. 117 120.

111. Алхимов А.П., Демчук А.Ф., Косарев В.Ф., Лаврушин В.В. Исследование технологических процессов нанесения токопроводящих коррозионностойких покрытий // Труды 5 Междунар. конф. "Пленки и покрытия-98". СПб, 1998. С. 259 263.

112. Alkhimov А.Р., Kosarev V.F., Papyrin A.N. Spraying the current conducting coatings on electrotechnical unit by CGS method // Proc. of United Thermal Spray Conf. Dusseldorf, 1999. P. 288 290.

113. Алхимов А.П., Клинков C.B., Косарев В.Ф. Температура вблизи контактной границы при высокоскоростном соударении микрочастицы с поверхностью // Физическая мезомеханика. 2000. Т. 3, № 1. С. 53 57.

114. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1966,724 С.

115. Алхимов А.П., Гулидов А.И., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И. Особенности деформирования микрочастиц при ударе о твердую преграду // ПМТФ. 2000. Т. 41, № 1. С. 204-209.

116. Гулидов А.И., Шабалин И.И. Метод свободных элементов. Приложение к решению задач разрушения упругопластических тел в процессе ударного взаимодействия. Новосибирск, 1994. (Препр. / РАН. Сиб. отд-ние. Ин-т теорет. и прикл. механики; № 9-94).

117. Гулидов А.И., Шабалин И.И. Моделирование разрушенного материала дискретными частицами конечного размера // ПМТФ 1997. Т. 38, № 3. С. 14-19.

118. Клинков С.В., Косарев В.Ф. Моделирование адгезионного взаимодействия частиц с преградой при газодинамическом напылении // Физическая мезомеханика. 2002. Т. 5, № 3. С. 27 35.

119. Осипов К.А. Некоторые активируемые процессы в металлах и сплавах. М., Изд-во АН СССР, 1962, 123 с.

120. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М. Мир, 1989, 510с.

121. С.В. Клинков, В.Ф. Косарев Влияние активации поверхности на процесс газодинамического напыления//Физическая мезомеханика (в печати).

122. Тушинский Л.И., Плохов А.В. Исследование структуры и физико-механических свойств покрытий. Новосибирск, Наука, 1986, 197 с.

123. Федосеев В.И. Сопротивление материалов. М., Наука, 1986, 508 с.