Исследование процессов ускорения и взаимодействия частиц с преградой в условиях газодинамического напыления тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Российская академия наук Сибирское отделение Институт теоретической и прикладной механики

На правах рукописи

Клинков Сергей Владимирович

Исследование процессов ускорения и взаимодействия частиц с преградой в условиях газодинамического напыления

01.02.05. - механика жидкости, газа и плазмы Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители доктор технических наук Алхимов А.П.

кандидат физико-математических наук Косарев В.Ф.

Новосибирск, 1998 г.

Оглавление

Введение _______^

Глава 1. Движение газа в условиях ХГН.__10

£1.1 Ускорение газа в сопле большого удлинения.__ 10

1.1.1. Экспериментальное определение параметров газового потока на срезе плоского сверхзвукового сопла____ 11

1.1.2. Расчет параметров газа внутри сопла_ 15

Заключение___21

£1.2. Исследование сверхзвуковых струй воздуха, истекающих из сопла прямоугольного сечения.__22

1.2.1. Обзор. Интегральные соотношения связи параметров в сверхзвуковых затопленных струях._24

1.2.2. Результаты экспериментов по изучению сверхзвуковых затопленных струй воздуха._ 31

1.2.3. Истечение перерасширенной струи__ 38

Заключение____42

£1.3 Натекание струи на плоскую безграничную преграду._43

1.3.1. Обзор. Взаимодействие сверхзвуковых струй с преградой_44

1.3.2. Экспериментальные результаты и обсуждение__ 49

Заключение________ 58

Глава 2. Ускорение мелких твердых частиц газом._60

£2.1. Ускорение частиц в сопле._60

2.1.1. Расчет скорости частиц в сопле.__61

2.1.2. Экспериментальное определение скорости частиц.___ 62

2.1.3. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по скорости частиц._63

Заключение _ 68

£2.2. Задача оптимизации параметров сопла по скорости частиц в момент удара. _68

2.2.1. Картина движения газа и частиц._69

2.2.2. Модель расчета параметров газа и частиц._70

2.2.3. Результаты по оптимизации параметров сопла по скорости частиц в момент удара. _72

2.2.4. Определение температуры частиц в момент удара._75

Заключение________76

£2.3. Экспериментальное исследование деформации и соединения микрочастиц с преградой при высокоскоростном ударе.___77

2.3.1. Экспериментальная установка и методы измерений. ____ 78

-32.3.2. Результаты микроскопических исследований. ___ 84

2.3.3. Зависимость деформации от скорости удара_ 88

Заключение. __89

Глава 3. Развитие возможностей метода газодинамического напыления. _90

§5.1. Теплообмен струи с преградой. Температура поверхности._90

3.1.1. Обзор. Управляющие параметры теплообмена струи с преградой._91

3.1.2. Экспериментальная установка и методики измерений._93

3.1.3. Определение коэффициента теплопередачи.__ 96

3.1.4. Исследование пристенной струи.____97

3.1.5. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по теплообмену._99

3.1.6. Определение температуры поверхности преграды при натекании струи.__ 102

Заключение_ 104

§5.2. Исследование взаимодействия двухфазного потока с нагретой поверхностью_105

3.2.1. Экспериментальная установка ____ 105

3.2.2. Экспериментальные результаты._ 107

Заключение______ 112

§3.3. Напыление с возможностью возбуждения реакций синтеза. _113

3.3.1. Обзор. Основные управляющие параметры протекания реакций синтеза._ 114

3.3.2. Условия возбуждения реакций синтеза при газодинамическом напылении._ 119

3.3.3 Экспериментальная установка и результаты исследований._ 121

3.3.4. Анализ покрытий ____ 123

Заключение_____ 124

Результаты и выводы._125

Список условных обозначений_126

Список литературы_131

Введение

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.

Основное число публикаций по этому вопросу посвящено процессам взаимодействия с преградой высокотемпературных газопорошковых струй (газ + расплавленные частицы), используемых в технологиях плазменного (Жуков М.Ф., Солоненко О.П., Кудинов В.В. и др.), газопламенного (M.F. Smith, M.L. Thorpe и др.), детонационного (Гавриленко Т.П., Уль-яницкий В.Ю., Шоршоров М.Х., Харламов Ю.А. и др.) напыления и т. д.

В данной работе представлены результаты исследования взаимодействия с поверхностью низкотемпературных газопорошковых струй (газ + твердые частицы), проводимого с целью дальнейшего развития научных основ метода холодного газодинамического напыления (ХГН) и разработки на его основе новых технологий.

В ранее проведенных исследованиях (Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Нестерович Н.И., Папырин А.Н.) была показана возможность соединения с подложкой мелких частиц в твердом состоянии, выявлены некоторые особенности их ударного взаимодействия с преградой, определены условия формирования покрытий для ряда порошковых материалов, позволяющие разрабатывать физические и математические модели.

Однако практика использования метода ХГН поставила ряд проблем и привела к необходимости детального исследования основных физических процессов, ответственных за конечные свойства получаемых материалов и покрытий. Таким образом, возникли задачи по определению связи параметров взаимодействующих объектов с характеристиками, получаемых в результате этого материалов и покрытий.

Вопросы ускорения мелкодисперсных частиц в плоских сверхзвуковых соплах представляют значительный интерес применительно к процессу "холодного" газодинамического напыления (ХГН), и важны как с практической, так и с научной точки зрения. В связи с этим задача научного исследования основ метода ХГН является актуальной. Опыт работ по ХГН показывает, что наиболее важную роль в процессе нанесения покрытий этим способом играет скорость взаимодействия частиц с подложкой. Данные вопросы являются важными применительно к задаче оптимизации процесса ускорения частиц в плоских сверхзвуковых соплах и оптимизации на этой основе технологического процесса напыления.

Постановка задачи, таким образом, включает в себя проведение исследований оптимизации параметров сопла по скорости частиц в момент удара, процессов формирования тонких широких струй, натекания их на преграду и взаимодействия двухфазного потока с преградой.

Предварительный анализ задачи показывает, что влияние толщины и длины сопла оказывает противоположные воздействия. Так, увеличение длины сопла благотворно сказывается на ускорении частиц, то есть, чем больше длина сопла, тем ближе скорость частиц к скорости газа. Однако одновременно увеличивается толщина пограничного слоя на стенках сопла, что приводит к снижению скорости газа, а, следовательно, и скорости частиц. Увеличение длины сопла может привести к невозможности достижения сверхзвуковой скорости. Аналогичное поведение можно видеть при изменении толщины сопла. Так, с ростом толщины ослабляется влияние пограничного слоя, нарастающего на стенках сопла, но увеличивается толщина ударного сжатого слоя, возникающего перед преградой при натекании на нее сверхзвуковой струи. Следовательно, должны существовать некоторые оптимальные значения отмеченных параметров сопла, когда скорость частицы в момент удара будет максимально возможной. Поиск этих параметров назовем задачей оптимизации по скорости частицы в момент удара.

Данная работа является пионерской, поскольку впервые ставиться задача оптимизации по скорости частиц в момент удара с учетом движения газа и частиц от форкамеры до поверхности, захватывающего участки движения в свободной струе и в ударном сжатом слое.

Предварительно проведенный обзор литературы показал, что прямых экспериментальных или расчетных данных, соответствующих характерным для поставленной задачи параметрам сопла и формируемого двухфазного потока в условиях холодного газодинамического напыления, нет. Однако имеются данные общего характера и методики расчета применительно к отдельно взятым участкам газодинамического тракта движения газа и частиц. Следует отметить, что значительная часть теоретических расчетов довольно сложна сама по себе, поэтому использование их для решения поставленной комплексной задачи представляет значительные трудности. Кроме того, теоретические расчеты требуют привязки к эксперименту, поскольку точность их, как правило, низкая. В этих условиях требовалось провести экспериментальные исследования конкретно изучаемых течений и предложить ряд методик расчета, которые позволили бы получить достаточно надежные результаты в течение корот-

кого промежутка времени. Эти условия и определили порядок выполнения работы: получение экспериментальных данных, адаптация выбранной методики расчета к условиям задачи и сравнение полученных экспериментальным и расчетным путем данных друг с другом на каждом последовательном этапе.

Логично поставленную задачу разбить на участки движения газа и частиц внутри сопла указанной формы, в области свободной струи и в ударном сжатом слое. Соответственно, требовалось изучить экспериментально и предложить какую- либо математическую модель движения газа и частиц в этих областях. Оценки показывают, что в условиях газодинамиче-

_■у _ß

ского напыления характерными являются объемные концентрации частиц -10 -10 .В этих условиях, как было показано в работах Яненко H.H., Фомина В.М., Киселева С.П. и др., возможно пренебрежение влиянием частиц на параметры газового потока и, в таком случае, достаточно хорошим приближением является модель движения одиночных частиц, которое реализуется при малых объемных концентрациях (вплоть до 0,1%). В связи с этим просматривается двухэтапная схема решения общей задачи: на первом этапе - определение поля течения газа, на втором этапе - вычисление параметров движения частицы по известным параметрам газового течения.

Общеизвестен интерес к процессам взаимодействия частиц с поверхностью преграды, но в связи с чрезвычайно большим разнообразием процессов, происходящих при ударе частиц, эта тема далеко не исчерпана, все механизмы этого явления до сих пор не вскрыты. Изучение условий закрепления частицы на поверхности является ключевой задачей, решение которой позволяет понять механизмы образования покрытий. Результаты, полученные при решении задачи оптимизации, позволят сделать этот следующий шаг, а именно, исследовать зависимость степени деформации закрепившейся частицы от ее скорости в момент удара.

Накопленный научный материал указывает на немаловажную роль температуры частиц и поверхности в процессе их взаимодействия. Поэтому важно развивать метод газодинамического напыления, в том числе, и в сторону освоения более высоких температур. В ранних работах по ХГН изучалось в основном влияние скорости частиц, а такие вопросы, как влияние температуры поверхности, возможность протекания химических реакций при адгезионном взаимодействии частиц с поверхностью, оставались в стороне. Чтобы восполнить существующий пробел, была проведена серия экспериментов, направленных на получение ответов на поставленные вопросы. В ходе экспериментов выяснилась необходимость изучения теплообмена между двухфазной струей и поверхностью с целью определения ее темпе-

ратуры в окрестности пятна напыления. Таким образом, поставленная в работе задача оптимизации, решенная с помощью адаптированной к условиям газодинамического напыления модели движения газа и частиц, позволяет получить также ряд других закономерностей, связанных с высокоскоростным адгезионным взаимодействием твердых частиц с поверхностью преграды, чем способствует дальнейшему развитию метода газодинамического напыления и получению покрытий с новыми свойствами.

Цель работы состояла в исследовании движения газа и частиц в сверхзвуковом сопле большого удлинения прямоугольного сечения, исследовании движения в области свободной струи, изучении процессов протекающих в зоне контакта двухфазного потока с поверхностью преграды.

Диссертация выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ИТПМ СО РАН по теме: "Исследование физических процессов в двухфазных потоках смеси газа с частицами" (шифр 01.09.20.001606), по внутриинститутскому проекту "Исследование сверхвысокоскоростного деформирования и соединения мелких металлических частиц с преградой при их соударении со скоростью -1000 м/с".

Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:

Поставлена задача оптимизации параметров сопла большого удлинения, прямоугольного сечения по скорости частиц в момент удара с учетом движения в свободной струе и ударном сжатом слое, возникающем при натекании сверхзвуковой струи на преграду, и получено решение этой задачи для наиболее характерных условий, реализуемых при получении покрытий методом холодного газодинамического напыления.

Экспериментально определена зависимость степени деформации алюминиевых частиц размером 10-30 мкм при закреплении на поверхности преграды от их скорости в диапазоне 500-1000 м/с.

Показано, что в условиях газодинамического напыления при нагреве преграды снижается критическая скорость перехода к адгезионному взаимодействию частица - преграда и получены кривые зависимости толщины покрытия от температуры поверхности и температуры торможения газа.

Проведено экспериментальное исследование возбуждения реакций синтеза при газодинамическом напылении. Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, позволяющая получать сверхзвуковые двухфазные потоки с температурой торможения, обеспе-

чивающей реакции синтеза интерметаллидов. Получены покрытия из смеси мелкодисперсных порошков никеля и алюминия с содержанием моноалюминидов никеля в режиме газодинамического напыления. Определены условия формирования и проведен анализ полученных покрытий, подтверждающий возможность возбуждения реакций синтеза.

Достоверность полученных результатов обоснована использованием известных и хорошо апробированных методов измерения с помощью трубки Пито, термопарного зонда, анализом ошибок метода трековой визуализации, калориметрического метода регулярного режима нагрева, сопоставлением полученных экспериментальных и расчетных данных и данных, известных из литературы.

Научная и практическая ценность работы обусловлена перспективностью использования метода холодного газодинамического напыления в промышленности. Результаты исследования процессов взаимодействия сверхзвукового двухфазного потока с преградой создают основу для построения и совершенствования физических и математических моделей этих процессов, для проектирования и создания новых промышленных и экспериментальных установок нанесения покрытий и получения новых материалов.

На защиту выносятся следующие результаты:

- разработка и создание экспериментальных установок для изучения взаимодействия двухфазных потоков газ - твердые частицы с преградой;

- измерение профилей и продольных распределений параметров газовых струй, истекающих из сопел большого удлинения прямоугольного сечения, включая изучение влияния значительных пограничных слоев на стенках сопла и изучение динамики и теплообмена при натекании на плоскую преграду;

- определение оптимальных размеров сопла, используемого при ХГН, для получения максимально возможных скоростей твердых частиц в момент удара;

- исследование деформации твердых частиц при ударе и закреплении на поверхности преграды при скоростях 500-1000 м/с, в частности, нахождение зависимости степени деформации частиц от их скорости и твердости материала преграды;

- изучение взаимодействия сверхзвуковой двухфазной струи газ - твердые частицы с нагретой поверхностью, включая обнаруженный эффект уменьшения критической скорости перехода к напылению в условиях ХГН и определение кривых роста толщины покрытия при увеличении температуры поверхности;

- изучение возбуждения реакций синтеза интерметаллидов при газодинамическом напыле-

нии, включая, определение условий синтеза и анализ полученных покрытий рентгеност-руктурным и металлографическим методами.

Личный вклад. При участии автора созданы экспериментальные установки для исследования процесса газодинамического напыления. Проведены измерения параметров струйных течений и процессов высокоскоростного адгезионного взаимодействия частиц с преградой, получены оптимальные параметры сопел, используемых при холодном газодинамическом напылении.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на всероссийских и международных конференциях: на XVI Всероссийском семинаре «Струйные и нестационарные течения в газовой динамике» (Новосибирск, 1995), на 3 Международном рабочем совещании «Генераторы термической плазмы и технологии» (Новосибирск, 1997), на 9 Международной конференции «1СМАЯ-98» (Новосибирск, 1998), на 5 Международной конференции «Пленки и покрытия» (Санкт-Петербург, 1998), на семинаре «Теоретическая и прикладная механика» (Новосибирск, ИТПМ, 1