Исследование теплофизических процессов при образовании и взаимодействии с преградой высокоскоростных капельных потоков в вакууме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Федеральное государственное унитарное предприятие «Исстедоватеяьский центр имени М В Келдыша»

На правах рукописи

Пономарев Александр Николаевич

Удк б <?у зег.е

003448270

Исследование теплофизических процессов при образовании и взаимодействии с преградой высокоскоростных капельных потоков в

вакууме

01 04 14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 2 ОПТ 2003

Москва - 2008

003448270

Федеральное государственное унитарное предприятие «Исследовательский центр имени М В Келдыша»

На правах рукописи

УДК 6£</.3*5-3 Э^з /✓-• Ю

Пономарев Александр Николаевич

Исследование теплофизических процессов при образовании и взаимодействии с преградой высокоскоростных капельных потоков в

вакууме

01 04 14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 200В

Работа выполнена в ФГУП «Исследовательский центр имени М В Келдыша»

Научный руководитель

доктор технических наук Десятов Андрей Викторович

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор Ревизников Дмитрий Леонидович

кандидат технических наук Полянский Михаил Николаевич

Ведущая организация.

МГТУ им Н Э Баумана

Защита диссертации состоится «22» октября 2008 г в 10 часов на заседании диссертационного совета ДС 403 004 01 при ФГУП «Центр Келдыша» по адресу Москва, Онежская ул, д 8

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГУП «Центр Кеэдыша»

Автореферат разослан «

2008 г

Ученый секретарь

диссертационного совета ДС 403 004 01 кандидат технических наук

В А Исаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

К применяемым в ракетно-космической технике конструкционным материалам предъявляются весьма жесткие требования по коррозионной и термической прочности, пластичности, обрабатываемости, свариваемости, весу и тд Так, например, в перспективных системах терморегулирования космических аппаратов предполагается использовать аммиак в качестве рабочего тела При этом конструкционные материалы, контактирующие с аммиаком, испытывают значительное коррозионное и термическое воздействия и должны обеспечить продолжительный ресурс системы (15 лет и более) при минимальной массе конструкции Сходные проблемы присущи тепловым трубам, элементам конструкции радиаторов и солнечных батарей, аккумуляторам

В настоящее время перечисленные задачи решаются в основном подбором относительно легких конструкционных материалов, методов и режимов их термомехапической обработки, а также применением дополнительных воздействий в процессе их изготовления Это приводит к некоторому повышению эксплуатационных характеристик конструкционных материалов, в том числе их прочности, пластичности, коррозионных свойств Аналогичное и даже более существенное улучшение эксплуатационных характеристик конструкционных материалов можно получить при сверхбыстром охлаждении (скорости до 106 107 К/с) и кристаллизации капельных потоков расплавленного металла, из которых формируются компакты вышеуказанных материалов В этом случае может быть достигнуто особо сильное снижение размеров зерна, вплоть до получения некоторых металлических конструкционных материалов в аморфном состоянии Однако из-за отсутствия достоверных теоретических и экспериментальных данных по процессам тепломассообмена и гидродинамики при формировании и последующем сверхбыстром охлаждении и кристаллизации капельных потоков расплавленного металла эти методы пока находятся в стадии лабораторных исследований

Автором диссертации разработана и при его непосредственном участии создана экспериментальная установка ВЭЛУ, реализующая основные элементы перспективной технологии вакуумного литья диспергированным расплавом Установка предназначена для изучения физических процессов, сопровождающих получение, охлаждение и кристаллизацию капель расплавленных металлов Разработана методика получения монодисперсных потоков капель в вакууме, основанная на использовании электронных пушек ЭПА-60 для плавления быстровращающейся заготовки из алюминиевых сплавов Разработана методика сверхбыстрого охлаждения и кристаллизации расплавленных металлических капель за счет их высокоскоростного соударения с водоохлаждаемой подложкой, имеющей возможность перемещаться в двух направлениях

Актуальность темы диссертации обусловлена тем, что в ней рассматриваются малоизученные вопросы теплофизики и гидродинамики, связанные с получением высокоскоростных капельных потоков диспергированного жидкого металла и его последующим сверхбыстрым охлаждением и кристаллизацией применительно к задачам получения конструкционных материалов с улучшенными свойствами для энергетических и двигательных установок космических аппаратов

Цель работы состояла в получении первичных экспериментальных данных о протекающих в установке ВЭЛУ тепломассообменных процессах, определении основных физических механизмов и разработке расчетных методик, адекватно описывающих наблюдаемые в экспериментах явления

Научная новизна работы состоит в следующем

1 Разработана оригинальная экспериментальная установка для исследования теилофизических и гидрогазодинамических процессов при вакуумном диспергировании расплавленных металлов, позволяющая проводить эксперименты и измерения основных физических параметров в широком диапазоне действующих факторов На установке получены материалы с улучшенными эксплутационными характеристиками

2 Впервые проведены экспериментальные исследования процессов, протекающих при получении в вакууме высокоскоростных (10-80 м/с) монодисперсных капельных потоков и их кристаллизации в условиях сверхбыстрого охлаждения при ударном взаимодеиствии с преградой Установлены основные закономерности образования монодисперсных капельных потоков при центробежном диспергировании конструкционных материалов на основе алюминиевых сплавов

3 Предложены расчетные модели, описывающие теплофизические и гидродинамические процессы на поверхности вращающейся заготовки при воздействии на нее электронного пучка

4 Впервые изучены вопросы паро-газовыделения летучих компонентов сплавов в вакуумную камеру из капельного потока и с поверхности вращающейся заготовки Предложена расчетная модель для описания этих процессов

5 Впервые доказана возможность получения массивных (более 1 см толщиной), имеющих равномерную структуру мелкокристаллических (размер зерна менее 4 мкм) компакт-образцов

Практическая значимость диссертации состоит в том, что полученные экспериментальные данные и разработанные расчетные методики могут быть использованы для создания и оптимизации перспективной технологии получения конструкционных материалов из различных марок алюминиевых сплавов с повышенными эксплуатационными характеристиками Итоги исследований реализованы в ФГУП «Центр Келдыша», ОАО РКК «Энергия» им С П Королева и ФГУП «НПО «Техномаш»

Д(итоверность полученных результатов подтверждается прямым сопоставлением результагов расчета, модельных и натурных экспериментов, а также анализом погрешностей измерений при проведении экспериментальных работ

На защиту выносится

1 Экспериментальная установка для центробежного диспергирования металлических материалов при злектронно-лучевом нагреве и плавлении вращающейся заготовки с целью получения высокоскоростных (10 - 80 м/с) капель и последующего их ударного компактирования в вакууме в монолитные образцы с улучшенными свойствами по сравнению с характеристиками сплавов такого же химического состава, традиционно выпускаемых промышленностью

2 Экспериментальные результаты по характеристикам потока капель расплава и скорости охлаждения расплава при соударении капель с термостатируемой подложкой

3 Методика расчета теплового режима ванны расплава на поверхности вращающейся заготовки при воздействии на нее электронного пучка

4 Методики расчета диффузии и выделения в вакуум паров летучих компонентов алюминиевых сплавов

5 Модель образования направленного потока капель расплава

6 Результат исследования и сравнения физико-химических характеристик образцов, полученных в экспериментах с параметрами аналогичных металлических материалов, традиционно выпускаемых промышленностью

Апробация работы

Основные положения диссертации доложены

- на научно - технических советах Российского космического агентства, г Москва 1994 и 1996 гг,

- на научно-техническом семинаре в Институте электросварки им Е О Пат она HAH Украины, г Киев, 1995 г,

на научно-практической конференции но проблемам безконтейнерного электроннолучевого переплава титановых и других сплавов Институт электросварки им Е О Патона АН Украины, г Киев, 1996 г ,

- ria семинаре в ФГУП «Исследовательский Центр имени М В Келдыша», г Москва, 2002 г, 2008 г

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и списка использованной литера-туры Объем диссертации составляет ll^i страниц, включая 47 рисунков и таблиц, 71 библиографических названия

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введепни показана актуальность темы диссертации и определена цель работы

Первая глава представляет собой обзор литературы по теме диссертации Проанализированы литературные источники со сведениями по процессам, которые являются хотя бы частичными аналогами процессов, происходящих при вакуумном диспергировании или необходимыми для сравнения с ними

Рассмотрены существующие методы получения монодисперсных капельных потоков конструкционных материалов В частности, проведен детальный анализ широко используемого в промышленности метода нанесения покрытий каплями расплавов в горячих газовых струях, генерируемых электродуговыми плазмотронами, так называемых плазменных покрытий Напыление капель здесь осуществляется в окружающей воздушной атмосфере или контролируемых газовых средах Этот метод получения в условиях окружающей атмосферу металлических и др компактов из капель расплавов является наиболее совершенным (по сравнению с другими применяемыми методами) и, одновременно, наиболее полным аналогом (по составу определяющих физических процессов) изучаемому в диссертации методу получения компактов монодисперсным капельным напылением в вакууме

Проанализированы существующие данные по процессам, протекающим при ударном взаимодействии с преградой капель жидкостей, не затвердевающих при столкновении, с целью поиска возможностей переноса этих данных на крайне малоизученный случай удара о преграду капель затвердевающих жидкостей Выдвинуто предположение о том, что некоторые гидродинамические эффекты на начальных фазах удара могут быть общими для обоих случаев

Рассмотрены процессы, определяющие газовыделение конструкционных материалов при их диспергировании Отмечено, что наличие газов является одним из наиболее существенных факторов, снижающих качество конструкционных материалов Рассмотрены также существующие методы дегазации, в частности, продувка нейтральным газом, продувка хлором и наиболее перспективный способ - дегазация в вакууме

Во второй главе диссертации дается описание экспериментальной установки ВЭЛУ и приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований, относящиеся к процессам, протекающим на вращающейся заготовке (нагрев, плавление, отрыв капель)

Необходимо отметить, что в отношении закономерностей каплеобразования перед! началом разработок центробежного диспергирования металлических материалов в вакууме было наибольшее количество вопросов, по которым в литературе не имелось! предварительного задела. Главные из них: будет ли иметь место поодиночный или групповой отрыв капель; какова величина капель и разброс их размеров; будет ли отрыв капель расплава происходить непосредственно в пределах пятна нагрева заготовки ¡— электронным пучком или будег распределенным по полосе нагрева; будет ли достаточно I малой площадь рассеивания капель по подложке; будет ли иметь место вскипание металла в линзе расплава на вращающейся заготовке при большом перегреве металла относительно «точки кипения в вакууме»; проявится ли метастабильность термодинамического состояния металла в линзе расплава и в формирующихся каплях; ■ какова динамика изменения формы образующейся в результате уноса материала полости на заготовке и др.

В 1992... 1996 гг. по договору с РКА автором диссертации с сотрудниками под руководством д.т.н. А.В.Десятова была создана экспериментальная установка ВЭЛУ. На ней, см. общий вид на рис. 1, была проведена серия экспериментов по получению ' образцов конструкционных материалов на основе алюминия (Д16, АМгб, АлЗ и др.) монодисперсным напылением каплями.

Рис.1.

В установке ВЭЛУ нагрев и местное плавление боковой поверхности вращающейся ; цилиндрической заготовки осуществлялось под воздействием электронного пучка, генерируемого электронной пушкой, допускавшей регулирование мощности нагрева от 1 до 120 кВт. В зависимости от скорости вращения заготовки под воздействием центробежных сил из линзы расплава поочередно отрывались капли диспергируемого расплава, имевшие скорости и=10...80 м/с, соответственно. При столкновении, вначале с подвижной холодной подложкой, а позже с поверхностью ранее нанесенного слоя, капли

деформировались в диски, кристаллизировались и сваривались, образуя застывший образец, см. рис. 2.

Рис. 2.

На наиболее изученном основном режиме диспергирования (диаметр капель с)=0.55 мм, и =20 м/с) размер зерна компакт-образцов составил около 4 мкм, (см. микрошлиф образца на основе материала Д16 на рис.3)

Рис. 3(х120)

По результатам проведенных экспериментов в широком диапазоне окружных скоростей вращения иокр=]0...80 м/с заготовок радиусом 11=0.15 м (или ускорений

§ = ~~ = 0.7 ■ 10э...43-Ю'.м/с2) при фокальном пятне нагрева диаметром около 4 мм К

установлено следующее.

- Капли из полосы нагрева заготовки электронным пучком отрываются поочередно, частота отрыва при фиксированной скорости вращения практически постоянна.

- При фиксированной скорости вращения величина диаметров капель также практически, с погрешностью до ± 10%, одинакова К концу сеанса диспергирования в спектре капель появляются отдельные более крупные частицы

- Для всех исследованных сплавов зависимости диаметров капель и частоты отрыва от скорости вращения заготовки описываются следующими эмпирическими формулами

где ¿„=0 55 10~2м, «„=64 кГц, = 20 м/с

-Массовый расход капель не зависит от скорости вращения и составляет 1 5 г/с -Капли отрываются от заготовки (рис 4) не непосредственно в пределах фокального пятна нагрева заготовки пучком диаметром с1ф, а в точке, смещенной в направлении вращения на 6 9 величин

- На начальном этапе диспергирования угловой диаметр круга рассеивания капель на отливке не превышает 3-4 градусов К концу сеанса диспергирования круг переходит в эллипс с угловыми размерами 4-6 градусов в поперечном направлении и 12-14 градусов -в продольном

К концу сеанса диспергирования в результате уноса материала на заготовке

формируется полость в форме кольцевой канавки кинжаловидного поперечного сечения с острой вершиной (радиус притупления около 0 05 мм) и регулярными боковыми наплывами в продольном направлении

- Последствий вскипания металла или взрывообразного выхода из метастабильного состояния, сопровождающихся повышенным боковым разбросом капель, в экспериментах замечено не было

Для диагностики характеристик электронного пучка непосредственно на заготовке широко практикуется метод поверхностного «прижога», состоящий в следующем Электронный пучок воздействует на неподвижный образец до тех пор, пока не происходит стабилизация размеров ванны расплава под пучком Диаметр полученной таким образом стационарной ванны расплава трактуется как диаметр электронного пучка Для анализа правильности данной трактовки проведено сравнение известных решений задачи теплопроводности о прогреве полуограниченного тела двумя поверхностными тепловьми источниками точечным и равномерно распределенным в круге некоторого радиуса При этом размер расплавленной области определялся по положению изотермы, соответствующей температуре плавления материала Показано, что метод «прижога» не позволяет с достаточной точностью судить о диаметре электронного пучка Показано

0 25

Г| 75

Рис 4

однако, что, при одинаковой иитегралыюй мощности источников, диаметр пятна расплава приблизительно одинаков Это означает, что метод «прижога» может использоваться для оперативного определения интегральной мощности, выделяемой пучком на заготовке Получена приближенная формула, связывающая интегральную мощность тепловыделения па заготовке с радиусом расплавленной зоны

К = 2тЛ (*„-<„) гт

Здесь N - мощность тепловыделения на заготовке, Я и 1т - коэффициент теплопроводности и температура плавления материала заготовки, г0 - начальная температура, ;„, - радиус расплавленной зоны на стационарном режиме

Использование общих физических законов равновесия в комплексе с полученными экспериментальными данными по размерам капель при диспергировании позволило выявить некоторые существенные геометрические и физические особенности капель в

предотрывном состоянии Среди них значение — = — £ 0 453 величины критического

(I 6

2 2

диаметра й- шейки капли, равенство нулю средней величины кривизны--1- — = О

<1. <1

поверхности шейки, и соответственно этому - равенство нулю давления жидкости в этом (И =0) сечении, заведомо метастабильное (р<0) термодинамическое состояние жидкости в капле для Ь<0, величины и эпюры распределения гидростатического давления в капле,

оценить кривизну поверхности в нижнеи точке (см рис 5, исполненный в масштабе

¿я

для основного режима диспергирования, когда Во = 2 12)

Рис 5

Проведено расчетно-теоретическое исследование теплового режима вращающейся заготовки из сплава АМгб со следующими теплофизическими свойствами в твердой и жидкой фазах (вблизи температуры плавления) плотности рТ - 2,5 103 кг/м3 и рж= 2,35 103 кг/м3, коэффициенты теплопроводности Яг=150 Вт/м К и Дж=60

Вт/м К, удельные теплоемкости ст = сж = С = 0,88 103 Дж/кг-К, теплота плавления ;=0,36 106 Дж/кг На основном режиме диспергирования площадь фокального пятна электронного пучка на заготовке составляет /^=10~5мг (¿^ 2 3,6 мм), а величина удельного теплового потока в заготовку - # = 109 Вт/м2

Рассматривается одинаковая циклограмма работы для любой точки на полосе нагрева поверхности заготовки (периметр по окружности = 1 м, ширина полосы нагрева 3,6 мм), вращающейся с частотой 20 Гц (V = 20 м/с) под воздействием неподвижного электронного пучка с условньми размерами пятна облучения 1x1 = 3,6 > 3,6 мм2 Расчеты проводятся для одного оборота тела, время которого разбивается на три этапа

Сначала точка любого рассматриваемого сечения на полосе нагрева пробегает под лучом расстояние I за х0 =//у =0 18 10~3с при воздействии теплового потока д0 = 109 Вт/м2, или, принимая далее для проводимых расчетов единый масштаб времени г0 = 0 18 10"3с, считаем, что безразмерный интервал времени продолжительности облучения и, соответственно, первого этапа плавления составляет 0<х = х/х0 <1 Далее в интервале времени 1 < г < 10 осуществляется второй, также кратковременный, этап плавления и углубления ванны расплава за счет тепла, накопленного в перегретом выше температуры кристаллизации Тк жидком расплаве К концу временного интервала такой продолжительности глубина ванны расплава практически достигает своей максимальной величины лгши = дх0I рг = 0,213 10"3д( или, в безразмерных параметрах, х = х/хтя »1 В оставшееся до окончания полного оборота заготовки (при продолжительности оборота Т,Р ~ хйъаг = 50 10~3с или х вр = 278) время 10 <¥ < 27&читается, что поверхность полосы имеет температуру кристаллизации Тк = 870 К

Предложенная в диссертации интегральная одномерная методика тепловых расчетов предполагает, что профиль температуре в расплаве является линейным, а утечки тепла в нерасплав генную часть заготовки и со свободной поверхности расплава пренебрежимо малы по сравнению с теплом, идущим на плавление и теплом, идущим на нагрев расплава Методика расчета сводится к решению безразмерного уравнения теплового баланса

х = х + х (Т-\)/Ь (для г < 1) \ = х + х{Т-\)1Ъ {д«ях>\) Г=Т/ТК, Ь = 2г/СТк =0 9404 и безразмерному уравнению для скорости фронта плавления

(Т-1) = х/а ¡1x1 йх а = ХТк р г/д2 г„ = 0 253 Результаты расчетов приведены на рис 6

Рис 6

Физически важным для понимания функционирования системы центробежного диспергирования расплава является следующий вопрос какие факторы определяют поочередный и равномерный, как установлено в опытах, отрыв капель из линзы расплава на вращающейся заготовке или, что то же, какие факторы определяют образование «монодиспсрсного потока» капель, в условиях, когда весь расплав в ней при большой величине центробежного ускорения находится в механически неустойчивом состоянии, подобно, например, слою воды на потолке В диссертации предложен механизм потери устойчивости поверхности расплава и образования монодисперсного потока капель для начальной фазы уноса массы (до возникновения глубокого реза на заготовке) Кратко он сводится к следующему

При попадании участка заготовки в пятно нагрева электронным пучком начинается местное плавление металла и нагрев расплава с очень высоким (см рис б для г/г„~01 03) темпом В результате возникает большая скорость радиального перемещения зеркала расплава в радиальном направлении (за счет объемного теплового расширения расплава и, главным образом, увеличения на б б% объема при плавлении), величина которой существенно превышает даже среднюю скорость gг/2 свободного падения тела — максимально быстрого виртуального движения при той же величине центробежного ускорения g, не ограниченною противодействием капиллярных и вязких сил Соответствующий радиальный силовой импульс реакции на такое расширение вызывает капиллярно - гравитационные волновые колебания расплава с пучностями и узлами, неподвижными относительно движущейся заготовки Зародыш формирующейся капли может образоваться только в зоне максимального возмущения - на первой от начала пятна облучения пучности, см точку №8 на рис 7 В дальнейших колебаниях зародыш растет до предотрывного размера капли в точке №1 (для согласования с опытными данными предполагается, что отрыв капли происходит, когда заготовка провернется на 6 9 величии диаметров фокального пятна)

Направление ниюмення 1ап>тохкк -■ Усиф =20 м/с

Рис 7 Схема волнового механизма формирования монодисперсного потока капель на основном режиме диспергирования

Предложенный механизм образования монодисперсного потока капель можно считать подтвержденным в главных чертах, поскольку расчеты, проведенные для основного режима диспергирования, дали значение длины волны колебаний Я =2 87 мм, близкое по величине к расстоянию между отрывающимися в экспериментах каплями (2 74 мм) При этом для определения длины волны использовалась известная формула для капиллярных колебаний в невязкой жидкости, справедливая при малой глубине слоя

В диссертации рассмотрен и другой возможный механизм, основанный на том, что расплав срывается с заготовки в виде сплошной нити, которая затем распадается под действием капиллярных сил в соответствии с известным решением Рэлея Однако этот механизм дает расстояние между каплями, которое хуже согласуется с результатами экспериментов (0 9 мм)

В третьей главе диссертации исследуется динамика выделения в вакуум паров летучих компонентов (цинка и магния) алюминиевых сплавов из капель и с поверхности обогреваемой заготовки Выделение паров и газов, сопровождающее процессы получения монодисперсных капельных потоков в вакууме, имею1 большое значение для рассматриваемых в настоящей работе процессов диспергирования конструкционных материалов, поскольку влияет как на качество получаемых образцов, так и на работу самой установки

Вследствие низкого давления, высокой (~1 ООО К) температуры и малого (<10%) содержания в сплавах летучих компонентов, парогазовую атмосферу в вакуумной камере можно считать подчиняющейся закону Рауля В соответствии с этим законом парциальные давления Р.,, паров элементов над раствором подчиняются уравнениюР,,=п, Р,, где п1 - относительные молярные доли элементов в сплаве на свободной поверхности, Р1 - давления насыщенных паров чистых элементов Отметим, что, для динамически протекающих процессов, подобных задаче испарения летящих капель, молярная доля 1 - того элемента на поверхности капли, может значительно (в несколько раз) снизиться от начального значения из-за ограниченной скорости диффузионного переноса массы летучих элементов из глубины капли к поверхности Оценки потерь тепла каплями излучением и за счет испарения на рабочем расстоянии пролета (0 2 м) в установке ВЭЛУ показали возможность проведения расчетов диффузии в изотермической (1=1000 К) постановке благодаря малым значениям снижения средней температуры (менее 1%), высокой теплопроводности сплавов и небольшим величинам радиусов капель

Основная цель проведения расчетов динамики испарения капель - определение объемов выделяющихся паров на примере системы алюминий-магний Величина коэффициента диффузии магния в алюминии при 1000 К известна Б=7 54 Ю-9 м2/с

Поскольку для любых жидкостей порядок величин этих коэффициентов составляет D-109 м/с, для расчетов диффузии цинка использовалось то же численное значение D=7 54 10"'

При решении уравнения диффузии в сферической капле с первоначально равномерным содержанием примеси, равным исходной величине для заготовки, на свободной поверхности ставилось граничное условие третье!о рода, отражающее баланс по гоков массы вещества, подходящего изнутри капли к ее поверхности и уходящего за счет свободно - молекулярного разлета в объем камеры При этом было показано, что физическим возвратом массы и повторной конденсацией паров на поверхности капли можно пренебречь, что математически соответствует равенству нулю концентрации летучего компонента на бесконечности в формуле для конвективного потока массы G от капли расплава Тогда для летучего компонента с атомарной массой Лк граничное условие на поверхности капли можно записать в виде

-af U =GU =0,00438J4-P,t ai V т

В безразмерных переменных уравнение диффузии в сферических координатах, а также начальные и граничные условия приобретают вид

дв д2в 1 дО а. , 80, „ дв, dF0 дт] rj Вт] 0 ôîj' дг]и "

где в = п!п0 - отношение молярной доли компонента к исходной ветчине, rj = r/R, Fo=Dt/R2 - безразмерное время, Bi - массообменный критерий Био

0 00438J—Plt Я

Bi =--,

р ^ D

Г СП .

Ра И Ар - плотность сплава и атомная масса растворителя - алюминия

Поскольку в критерий Био не входит величина п0, его значения остаются

одинаковыми для сплавов одной системы легирования Для R = 0 25 10~3 м число Био составляет 14 8 для системы легирования Al-Mg (сплавы Д16, AMg6) и 74 4 для сис!емы Al-Zn (сплав В-95)

Проведенные расчеты и оценки показали, что за время свободного полета капли (г < 0 02с) глубина проникновения возмущения концентрации летучего компонента в объем капли мала Это дало возможность перейти от сферической задачи к плоской и использовать известное аналитическое решение, из которого вытекает следующее выражение для концентрации на поверхности

6|i=0 = er/c(>/Z)ex p(I) =[l -erf(jL)]exp(L)

L = Bis2 Fox, erf(и) = \e du Ы7С{

При этом удельный поток массы со свободной поверхности определяется выражением

<7 = 0 00438^, «0

Результаты расчетов мгновенных величин удельных массовых расходов паров М^ (сплавы Д16 и АМгб) и Ъп (сплав В-95) с единицы поверхности капель любого размера и величин удельного интегрального расхода кг/м2 приведены на рис 8,9

Рис 8 Удельный массовый расход паров Рис 9 Интегральный расход паров с поверхности поверхности

Видно, что диффузионный механизм доставки летучей примеси к поверхности капли значительно лимитирует процесс паровыделения капель Даже в условиях проведенных кратковременных экспериментов (гта1 =0 02с) для сплавов Д16 и АМгб концентрация М^ на поверхности падает при тт2Х в 1 9 раза, а концентрация Ъл для В-95 в 6 7 раз Вычисленные значения количеств Ог дают возможность определить абсолютные величины массовых т, кг/с, и объемных 0>пар, м3/с расходов паров магния, а также оценить изменение состава сплава вследствие потери части летучих компонентов при испарении с поверхности капель в вакууме величин дпо отношению к массе сплава и - по отношению к начальному содержанию летучего компонента, см таблицу 1

Таблица 1

''окр, м/с 10 20 40 80

г = 0 2 0 02 0 01 0 005 0 0025

а ю\м 0 684 0 575 0 484 0 407

Г, 10\м3 0 168 0 0996 0 0594 0 0353

аЛ 1(Г3, Гц У, 3 80 6 40 10 74 18 07

5, 10\м2 1 470 1 039 0 736 0 520

5Г =(5, со) 103 5 58 6 66 7 91 9 40

Д16, <5и/ <5к 0 093/6 2 0 058/3 9 0 039/2 62 0 025 / 1 67

АМгб, ¿СП/ ¿к 0 33 /5 3 0 23 / 3 7 015/23 0 10/1 6

595, 071/11 8 0 54/9 0 0 39/6 6 0 30/5 0

По результатам расчетов можно отметить следующее

- Для сплава Д16 с широким диапазоном (40% по массе) допустимого по ГОСТ колебания содержания М& (от 1 2 до 1 8 % от массы сплава), его относительное снижение за счет испарения можно считать незначительным

- Для сплава АМгб с более чем в 2 раза узким (16%) диапазоном допустимого колебания содержания (5 8 6 8% от массы сплава), относительные потери легирующего компонента следует, по-видимому, считагь заметными и начинающими влиять на состав сплава

Далее в третьей главе диссертации рассматриваются процессы диффузии и паровыделения, протекающие в ванне расплава на заготовке Предложен интегральный метод приближенного расчета испарения сплавов в нестационарных условиях, предполагающий использование предварительно рассчитанного изменения температуры поверхности ванны расплава (по методике, изложенной в главе 2) Возможность проведения независимого предварительного расчета тепловых режимов без учета влияния диффузии в свою очередь, является следствием сравнительно небольших величин тепловых по1ерь за счет испарения и тепловою излучения с зеркала ванны расплава, влиянием которых можно пренебречь, а также малой толщиной диффузионного слоя в теле по сравнению с толщинои теплового слоя

Уравнение диффузии для расплава принимается в виде

а(с-с0) _да2(с-с0)

вт дг2

Здесь 2 - координата, направленная от поверхности (г ~ 0) в глубину расплава, С0 - постоянная концентрация на большом расстоянии от поверхности, равная начальной концентрации Будем предполагать, что диффузионный слой имеет конечную толщину хв Интегрируя уравнение диффузии по координате, получим

в-в.

& И«

*Л

Здесь О - поток массы, уходящей из расплава через свободную поверхность г = 0, (7, -поток массы через границу диффузионного слоя 1 = х0 В дальнейшем будем пренебрегать величиной (?. по сравнению с величиной в Для вычисления интеграла примем линейное распределение концешрации по координате

С = С„+(С0-С„) —

хо

и будем считать, что производная этой функции равна точному значению производной от концентрации по координате на поверхности расплава, откуда следует

в(т) = р О (С0-С„)/х0 В рамках принятой модели существует сравнительно простая связь между толщиной диффузионного слоя и суммарным расходом паров за время т

= 0£( т) = |о/х

Используя результаты молекулярно-кинетической теории газов и закон Рауля для растворов, скорость испарения магния из расплава можно представить в виде С(х) = рС,(т)

I ПГ~ А )

= | 0 0438 /—^ РЛт)

Р$(ъ) = 9 6817 10' е

-15825

Т.Ы

Здесь Ак и Аг- атомарные массы компонента (магния) и растворителя (алюминия), Р! -давление насыщенного пара жидкого магния Отметим, что параметр р зависит от температуры поверхности Т„ как явно, так и косвенно, через давление Р3

Исключая теперь параметры С, и С, можно получить следующие уравнения для определения х0 и

В общем случае при переменной по времени температуре тела В = В(х) приведенное выше дифференциальное уравнение должно решаться численно В случае Г„ = cons! и, следовательно, В = const это уравнение имеет следующее аналитическое решение

Для оценки характерной величины погрешностей разработанной приближенной интегральной методики данное решение сравнивалось с точным решением задачи об изотермической диффузии в полуограниченном теле при температуре

Tn=const = T0=\OOOK Для момента времени т = 5 5 приближенная методика дала значение С„ / С0 « 0 28, а пересчет точного решения дал величину С„ / С0 я 0 318 Таким образом, относительная погрешность составила 5 =¡12% Из-за отсутствия точных данных по массоггереносу при переменной температуре поверхности, эта приемлемая величина относительной погрешности распространялась и на расчеты массоперепоса в общем случае

В соответствии с оговоренной выше схемой тепловых расчетов, выделение паров с полосы нагрева за 1 оборот заготовки рассчитывалось поэтапно Сначала - в интервале

О < х < 1 (считая при этом, что в начале нагрева электронным пучком х -О толщина

диффузионного слоя xD равна нулю) 3aieM - в интервале 1 < г < 10, где число 10 -условно принятая величина времени последействия, когда плавление продолжается за счет тепла, накопленного в перегретом слое расплава за начальный интервал времени

Далее - в интервале 10 < х < 278 - оставшемуся времени оборота заготовки при частоте 20 Гц На этом последнем этапе приближенно полагается, что в его начале (Т = 10) полоса нагрева скачком принимает исходную величину температуры заготовки Тл = 870К к Ттаы и сохраняет ее значение до конца оборота

На рис 10 приведены данные по ходу изменения величин GE и в диапазоне 0 < х < 2 5, а также значения других параметров предварительно рассчитанной температуры поверхности расплава Тп(х), мгновенной величины расхода паров G(F) и в = Сп(г)/С0- отношения концентрации магния на парогенерирующей поверхности ванны к величине исходной массовой концентрации С0 = 0,068 в сплаве АМгб

Кривые на рис 10 демонстрируют во многом неожиданный, на первый взгляд, ход изменения параметров Во-первых, в диапазоне 0 < х~ < 1, когда действует интенсивный нагрев электронным пучком и происходит быстрый, почти вдвое, рост температуры

(y + l + J(y +1)2-1) dy = Bl D г0 dx

[(у + 1)2+(7 + 1) + -\-ln(y + l + j(y + \)2-{){ =2 В2 D х0 (х-г])

поверхности Тп (г), с возрастанием на порядки величин давления паров магния и более чем на три порядка коэффициента конвективим о массообмена с окружающей средой Р , имеет место не возрастание, а снижение величин секундных расходов паровыделения

в(т) Во-вторых, начавшееся в начале интервала последействия при г = 1 (после ухода из-под электронного пучка) достаточно резкое падение температуры поверхности Тп (т)

заметно не отражается динамике изменения суммарного вг(т) и мгновенного б(г) расходов паров, а также толщины диффузионного слоя хв

Главная причина такого поведет« кривой 0(г") объясняется сдедующим Из выражения

С„ _ 1

ро

следует, что при резком возрастании коэффициента массообмена р (Р = 0,991 кг/(см2) при ГП=870К и р =3337 кг/(см2) при Тп = 1622К) в условиях плавного возрастания толщины диффузионного слоя хв происходит резкое падение концентрации магния Сп на поверхности, причем концентрация падает быстрее, чем растет коэффициент массообмена Далее, из выражения

Р рО

видно, что, при значительном увеличении коэффициента массообмена его влияние становится малым и величина секундного расхода даров (3 лимитируется главным образом внутренним диффузионным сопротивлением В следующем затем интервале

последействия (г> 1) из-за падения Тп и соответствующего резкого снижения коэффициента массообмена /? начинает возрастать внешнее сопротивление 1//? и вызывать падение б, пересиливая влияние роста Сп Отметим также, что отношение толщин диффузионного и теплового слоев везде менее 01 Это подтверждает возможность предварительного независимого проведения тепловых расчетов

В последнем разделе третьей главы рассмотрены величины совместного выделения в камере установки ВЭЛУ паров и газов, а также предложено объяснение выявленного в опытах «сверхбыстрого» действия системы вакуумной откачки на основе гетгерного механизма

Четвертая глава диссертации посвящена процессам, протекающим при ударном взаимодействии монодисперсных капельных потоков с преградой

Предложена схема гидродинамических и газодинамических процессов для случая столкновения капли с преградой в газовой атмосфере Данная качественная физическая модель может служить основой для получения в дальнейшем количественных данных по влиянию атмосферы при различных значениях определяющих параметров

Далее проведен расчетно-теоретический анализ процесса кристаллизации капли при соударении с охлаждаемой подложкой в вакууме (рис 11) Рассматривается случай, когда число Пекле удовлетворяет соотношению Ре"2 »1 Это условие означает, что полное затвердевание происходит после того, как капля уже значительно изменит свою форму, растекаясь по преграде При этом в течение всего времени процесса затвердевший слой является тонким и его влиянием на гидродинамику растекания можно пренебречь

Основные элементы математической модели состоят в следующем Задача рассматривается в цилиндрической системе координат Предполагается, что коэффициенты теплопроводности расплава и затвердевшего материала не зависят от температуры, а изменением температуры в радиальном направлении можно пренебречь Тогда систему уравнений для расчета температуры на оси симметрии можно записать в виде

Контактная поверхность -1-О

Фронт кристаллизации

Рис 11

г = 0 в.=вл,в,=в,

г — +со в,=ел>ея

z = -<0 0,=OlO<OK

[ ' & ' 8z y* dt Здесь т - время, z - координата, U- скорость натекания расплава на преграду, в-температура, р - плотность, а и X - соответственно коэффициенты температуропроводности и теплопроводности, Zp - координата фронта кристаллизации, отсчитываемая от поверхности контакта z =0, 0т- температура фазового перехода, L-удельная теплота фазового перехода Индекс «е» относится к расплаву, «s»- к твердой фазе Индекс «О» характеризует начальные условия

Функцию U(z-Zp) можно определить из решения гидродинамической задачи о растекании капли по поверхности преграды (это возможно только когда гидродинамическая и тепловая задачи разделяются, например при Рг«1) Считается, что скорость натекания расплава на преграду близка к скорости потенциального течения В этом случае U(z-Zp)=-2b(z-Zp), где b - const

Чтобы уменьшить число исходных параметров и представить решение задачи в обобщенном виде, вводятся следующие безразмерные переменные

г тУ, i = — = —- - время,

d„,

у = — = z I—— - координата,

Мо 0 -0а

Тс = —-— - температура расплава,

- в, г.

Ts = —-— - температура твердой фазы

В новых переменных основные уравнения с начальными и граничными условиями будут иметь вид

81 ^ ду ду1 "

8Т:; д2Т, —- = —-. V ^ У 81 ду2 р

( = 0 тс=т10,тг=т!0

у = + со те=те0>тт

у = -°о Т,=ТЛ<ТЯ

\ Те = Т,=Тт

У=у»

I дг дг 81 Здесь Ур /го - безразмерная координата фронта кристаллизации

Закономерности процесса кристаллизации расплава при высокоскоростном растекании по преграде определяются величиной четырех безразмерных параметров

5=2Ч с = ^

V

о = К(0е В-0Я) ь

Wm-0, 0) Сг(0я-0Л)

Параметр В характеризует интенсивность конвективного переноса тепла в расплаве, Б -соотношение между масштабами кондуктивных тепловых потоков в жидкой и твердой фазах у фронта кристаллизации Смысл остальных параметров также достаточно очевиден

Рассматриваемая сопряженная задача контактной теплопроводности является нелинейной Эта нелинейность обусловлена граничным условием связывающим скорость перемещения фронта кристаллизации с1У1/с11 и градиенты температур в твердой (8Т11ду)у и жидкой (дТе/ду)у фазах Для приближенного решения рассматриваемой

задачи в диссертации используется метод моментов Максимальная точность расчетов достигается при использовании метода моментов с параболическими профилями температур в конденсированной фазе Погрешность при этом, как показал анализ для различных значений С, Д и Е, не превышает 10%

На рис 12 представлены расчетные данные, позволяющие судить о степени влияния перегрева и движения расплава на закономерности процесса кристаллизации Рисунок соответствуют ситуациям, когда кристаллизующийся расплав неподвижен и не перегрет (В=В~0), неподвижен, по перегрет ( 5=0, £>=0,5 ), движется и перегрет (Л=1, £>=0,5)

Ур

: 1- 2; з- в=о=о В=0 , 0=0 5 В=1 , 0=П 5 1

:

2 3

00 02 04 ОБ 0В 10

Рис 12

Координата фронта кристаллизации Ур неподвижного, но перегретого расплава растет существенно медленнее, чем неподвижного и неперегретого Если же перегретый расплав еще и движется, то рост Ур еще более замедляется Такое поведение Гр(г) объясняется характером зависимости скорости перемещения фронта кристаллизации от баланса тепла на границе раздела твердой и жидкой фаз

Что касается температуры контактной поверхности (рис 13), то при кристаллизации неподвижного расплава она не изменяется во времени Если расплав движется, температура контактной поверхности возрастает со временем по линейному

закону Связано это с тем, что при В» 0 подвод тепла к контактной поверхности осуществляется не только за счет теплопроводности, но и за счет вынужденной конвекции

■ 3 2

-

1 2 В=0=0 В=0, 5 В=1, Р=0 5

: 3 1

1 ■ 1 1 1 1 1 1 1 ■

00 02 04 ОБ 00 10

Рис 13

Отметим важную особенность процесса, которая проявляется при кристаллизации движущегося ( 0) расплава и невозможна при 5=0 Она заключается в том, что при некотором сочетании определяющих параметров В, С, О и Е функция Ур (?) в интервале 0</<1 не является монотонной, (рис 14)

О 12

0 08

0 04

ООО

00 02 04 ое ОВ 1 о

Рис 14

В некоторый момент времени граница фазового перехода, которая при 0<t<t> перемещалась в направлении верхней границы капли, начинает двигаться в направлении контактной поверхности Это означает, что слой, затвердевший при t<t*, подплавляется при />/• Причина такого развития процесса заключается в том, что, начиная с момента времени N отвод тепла от границы фазового перехода в твердую фазу становится меньше, чем суммарный подвод тепла к ней из расплава за счет вынужденной конвекции и теплопроводности

Заключительная часть четвертой главы посвящена анализу характеристик слитков, полученных на установке ВЭЛУ

ВЫВОДЫ.

1. При центробежном диспергировании расплава с поверхности заготовок поток капель представляет собой узкий, слабо расходящийся пучок На начальном этапе (1-2 мин) диспергирования капли отрываются от заготовки не в пределах площадки нагрева бегущим фокальным пятном электронного пучка (угловой размер около полутора градусов), а в некоторой точке, смещенной на угол ср~10 градусов в направлении вращения заготовки При этом угловой диаметр круга рассеивания капель на отливке не превышает 3-4 градусов К концу сеанса диспергирования круг переходит в эллипс с угловыми размерами осей 4-6 градусов в поперечном направлении и 12-14 градусов в направлении вращения

2 В начале диспергирования капельный поток является м оно дисперсным, отрыв капель от заготовки имеет регулярный характер, а массовый расход капель не зависит от скорости вращения заготовки и составляет 1 5 г/с На основном режиме диспергирования (v = v0 = 20 м/с) диаметр капель составляет d0 = 0 55мм, а частота их отрыва от заготовки - ю0=6 4 кГц Для обобщения экспериментальных данных предложены

эмпирические формулы, описывающие зависимости диаметра капель и частоты их отрыва

d

от скорости вращения заготовки —

dо

3 По мере уноса массы с вращающейся заготовки на ней образуется полость, имеющая форму кольцевой канавки кинжаловидного поперечного сечения с острой вершиной (радиус притупления около 0 05мм), и с регулярно расположенными в продольном направлении боковыми наплывами При этом в спектре капель появляются отдельные более крупные частицы

4. Эксперименты, проведенные для заготовок из различных сплавов систем Al-Cu, Al-Mg, Al-Si не выявили различий в характере протекания гидродинамических и тепломассообменных процессов

5. С помощью расчетно-теоретического анализа показано, что метод «прижога» может использоваться для операшвного копгроля мощности электронного пучка, выделяющейся на заготовке

6 На основе анализа полученных экспериментальных данных и извесшых теоретических результатов выявлены особенности формы капли в момент отрыва от заготовки и предложен механизм каплеобразования, базирующийся на развитии капиллярно-гравитационной неустойчивости поверхности жидкости в ванне расплава на вращающейся заготовке

7. Предлол^ена приближенная методика расчета динамики плавления заготовки и теплового режима ванны расплава Показано, что за один оборот заготовки материал в ванне расплава успевает перейти в твердое состояние Предложена приближенная методика расчета диффузии летучего компонента сплава и скорости его испарения с поверхности капель и заготовки Для условий проведенных экспериментов оценены скорости испарепия и интегральная масса пара и показано, что основным процессом, лимитирующим скорость испарения, является диффузия летучего компонента в расплаве

8 В одномерной постановке решена задача о кристаллизации жидкой капли, соударяющейся с твердой поверхностью при Ре1/2»1 Показано, что при определенном соотношении между определяющими задачу параметрами происходит обращение границы фазового перехода

9 Экспериментально определена характерная величина скорости охлаждения расплава на подложке, составившая 106К/с

10 Экспериментально подтверждено определяющее влияние величины скорости и диаметра капель на размер зерна в получаемых слитках, а так же ртвномерность их микроструктуры по высоте Установлено, что температура поверхности подложки влияет на степень растекания капель, а так же на вид границ между ними после затвердевания Впервые экспериментально установлена возможность получения массивных по толщине (>1см) слитков, имеющих существенно более высокие физико-механические и коррозионные свойства в сравнении с их промышленными аналогами

Список основных работ, выпущенных по теме диссертации

1 Глазов А А , Пономарев А Н Равновесная кристаллизация жидкой капли при высокоскоростном соударении с преградой Физика и химия обработки материалов, 1996, №4, с 112-117

2 Пономарев А Н Газодинамические особенности ударного взаимодействия капли с преградой в атмосферных условиях Экономика и производство Технологии, оборудование, материалы, 2004, № 2, с 68-71

3 Пономарев А Н Исследование динамики диффузии в каплях и выделения в вакуум паров летучих компонентов Теплофизика высоких температур, 2005, т43, №6, с 927-932

4 Десятсш Л В, Пономарев А Н Физические особенности образования направленных потоков капель в вакууме при электронно-лучевом диспергировании быстровращающегося тела Инженерная физика, 2005, №4

5 Пономарев А Н Исследование физических процессов при центробежном диспергировании материалов с высоким парогазовыделением Инженерно-физический журнал, 2007, т 80, №2, с 25-35

6 Десятов А В , Пономарев А Н , Глазов А А Устройство для получения слитков со сверхмелким зерном в глубоком вакууме Патент №2095428, 1995 г

Пономарев Александр Николаевич

Исследование теплофизических процессов при образовании и взаимодействии с преградой высокоскоростных капельных потоков в вакууме

Автореферат

Формат 60x90/16 Бумага типографская Набор на компьютере Шрифт Tjmes New Roman Авт л 1,5 Уч-изд л 1,6 Тираж 50 экз Заказ 96 Отпечатано в типографии ФГУП "Центр Келдыша" 125438, Москва, Онежская, 8

Введение.

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи.

1.1. Существующие методы получения монодисперсных капельных потоков конструкционных материалов.

1.1.1. Метод Вернейля.

1.1.2. Плазменные покрытия.

1.2. Ударное взаимодействие капель жидкости с преградой.

1.2.1. Общие замечания к проблеме.]

1.2.2. Ударное взаимодействие с преградой капель незатвердевающих жидкостей.

1.3. Газовыделение конструкционных материалов при их диспергировании.

1.3.1. Содержание газов в конструкционных материалах из алюминиевых сплавов.

1.3.2. Механизм выделения газов при диспергировании конструкционных материалов.

1.3.3. Влияние различных факторов на содержание газов в конструкционных материалах.

1.4. Обоснование преимуществ метода вакуумного диспергировании конструкционных материалов.

Глава 2. Экспериментальное исследование процессов образования монодисперсных капельных потоков при центробежном диспергировании конструкционных материалов в вакууме.

2.1. Разработка экспериментальной установки для исследования теплофизических процессов при диспергировании конструкционных материалов в вакууме.

2.1.1. Задачи экспериментальных исследований.

2.1.2. Конструкция экспериментальной установки.

2.1.3. Конструкция технологической камеры.

2.1.4. Диспергирующее устройство.

2.2. Особенности протекания физических процессов при диспергировании конструкционных материалов в вакууме.

2.2.1. Некоторые особенности процессов центробежного диспергирования вращающейся заготовки.

2.2.2. Определение фокусировки электронного пучка.

2.2.3. Особенности поглощения электронного пучка в камере ВЭЛУ. Картина уноса массы с заготовки.

2.2.4. Влияние величины потока энергии при диспергировании конструкционных материалов.

2.2.5. Роль инерционных перегрузок при центробежном диспергировании конструкционных материалов.

2.2.6. Дополнительные особенности формирования кинжальной формы заготовки при вакуумном диспергировании конструкционных материалов.

2.3. Основные критерии подобия при диспергировании конструкционных материалов.

2.4. Форма капель в момент отрыва.

2.5. О зонах метастабильности термодинамического состояния в процессе центробежного диспергирования конструкционных материалов в вакууме.

2.6. Влияние теплового режима конструкционного материала на процесс диспергирования в вакууме.

2.7. Механизмы потери устойчивости поверхности расплава и образования монодисперсного капельного потока.

Глава 3. Разработка методики расчета диффузии и паровыделения в вакуум летучих компонентов диспергируемого вещества.

3.1. Особенности испарения компонентов сплавов алюминия.

3.2. Диффузия и паровыделение в каплях.

3.2.1. Диффузия в шаре при граничных условиях третьего рода.

3.2.2. Расчет диффузии и паровыделения с использованием известных решений для теплопередачи.

3.3. Диффузии и паровыделение на заготовке.

3.3.1. Интегральная методика расчета диффузионных потоков летучих компонентов и паровыделения. тела.

3.4 Оценка величины минимального расхода паров 3.4.1 Основные допущения.

3.4.2. Паровыделение капель 3.4.3 Выделение водорода

3.4.4 Парогазовыделение из ванны расплава и твердой поверхности заготовки (сплав АМгб).

3.4.5 Геттерный механизм «сверхбыстрой» вакуумной откачки смеси иаров магния и водорода.

Глава 4. Исследования процессов, протекающих при ударном взаимодействии монодисперсных капельных потоков с преградой в атмосферных условиях и в вакууме.

4.1. Расчетно-теоретический анализ газодинамических процессов, протекающих при ударном взаимодействии капли с преградой в газовой атмосфере.

4.1.1. Схема взаимодействия капли с преградой в периферийной зоне в атмосфере инертного газа.

4.1.2.Физическая модель основных газодинамических процессов.89.

4.2. Особенности гидродинамических и тепловых процессов при ударном взаимодействии высокоскоростных капель с преградой и последующей их кристаллизацией в вакууме.

4.2.1 Равновесная кристаллизация жидкой капли при высокоскоростном соударении с преградой.

4.3 Анализ характеристик слитка, полученных при высокоскоростном взаимодействии капель диспергированного металла с преградой в вакууме.

Выводы.

К применяемым в ракетно-космической технике конструкционным материалам предъявляются весьма жесткие требования по коррозионной и термической прочности, пластичности, обрабатываемости, свариваемости, весу и т.д. Так, например, в перспективных системах терморегулирования космических аппаратов предполагается использовать аммиак в качестве рабочего тела. При этом конструкционные материалы, контактирующие с аммиаком, испытывают значительное коррозионное и термическое воздействия и должны обеспечить продолжительный ресурс системы (15 лет и более) при минимальной массе конструкции. Сходные проблемы присущи тепловым трубам, элементам конструкции радиаторов и солнечных батарей, аккумуляторам. В настоящее время эти задачи решаются в основном подбором относительно легких конструкционных материалов, методов и режимов их термомеханической обработки, а также применением дополнительных воздействий в процессе их изготовления. Это приводит к некоторому повышению эксплуатационных характеристик конструкционных материалов, в том числе их прочности, пластичности, коррозионных свойств.

Аналогичное и даже более существенное улучшение эксплуатационных характеристик конструкционных материалов можно получить при сверхбыстром

6 7 охлаждении (скорости до 10 .10 К/с) и кристаллизации монодисперсных капельных потоков расплавленного металла, из которых формируются компакты вышеуказанных материалов. В этом случае может быть достигнуто особо сильное снижение размеров зерна, вплоть до получения некоторых металлических конструкционных материалов в аморфном состоянии. Однако из-за отсутствия достоверных теоретических и экспериментальных результатов по процессам тепломассообмена и гидродинамики при сверхбыстром охлаждении и кристаллизации монодисперсных капельных потоков расплавленного металла эти методы пока находятся в стадии лабораторных исследований.

В настоящей работе рассматриваются вопросы тепломаесобмена и гидродинамики, связанные с диспергированием металлов и получением высокоскоростных капельных потоков, их сверхбыстром охлаждении и кристаллизации применительно к задачам получения конструкционных материалов с заданными свойствами для энергетических и двигательных установок космических аппаратов.

Результаты работы также имеют большое научно-практическое значение для таких перспективных направлений развития космической техники как капельные холодильники-излучатели, в которых процесс диспергирования и охлаждения капель во многом схож с рассматриваемым в настоящей работе, а одним из перспективных теплоносителей является расплавленный металл.

В ряде штатных и аварийных ситуаций процессы, связанные с уносом конструкционных материалов при различных тепловых воздействиях, также достаточно методически близки к процессам, рассматриваемым в настоящей работе. Это, например, унос теплозащитных покрытий, взаимодействие частиц расплавленного металла с элементами конструкции космических аппаратов и т.п. Близки по физической сути процессы соударения капель различной природы (например, в атмосфере) с элементами конструкций космических аппаратов при высоких скоростях движения.

Таким образом, настоящая диссертационная работа является актуальной для различных областей ракетно-космической техники, связанных с получением новых конструкционных материалов, обладающих повышенной коррозионной стойкостью и термомеханической прочностью, созданием капельных холодильников-излучателей, исследованием высокоскоростного взаимодействия элементов конструкции ракет-носителей и космических аппаратов с каплями и расплавленными частицами конструкционных материалов.

Настоящие исследования имеют также большое значение для разработки метода диспергирования конструкционных материалов в вакууме с использованием электроннолучевого нагрева. Метод предназначен для улучшения физическим способом, за счет сверхбыстрого охлаждения и высокоскоростной кристаллизации, свойств легких конструкционных материалов, а также для использования в дальнейшей перспективе в окружающем вакууме непосредственно на космических объектах. Работа в данном направлении проводилась по договору между Российским космическим агентством и НИИ тепловых процессов в 1992-1995 г.г.

Диссертация посвящена экспериментальному и расчетно-теоретическому исследованию теплофизических и гидро-газодинамических процессов, протекающих при образовании монодисперсных капельных потоков и их ударном взаимодействии с преградой с целью определения роли различных физических механизмов и выявления основных физических закономерностей.

Для проведения исследований автором разработана и при его непосредственном участии создана экспериментальная установка ВЭЛУ, предназначенная для изучения процесса получения, охлаждения и кристаллизации монодиспсрсных потоков капель расплавленных металлов. Разработана методика получения монодисперсных потоков капель, основанная на использовании электронных пушек ЭПА-60 для плавления быстровращающейся заготовки из алюминиевых сплавов. Разработана методика сверхбыстрого охлаждения и кристаллизации расплавленных металлических капель за счет их высокоскоростного соударения с водоохлаждаемой подложкой, имеющей возможность перемещаться в двух направлениях. Разработана методика определения характеристик образцов конструкционных материалов, полученных в результате сверхбыстрого охлаждения и кристаллизации капель расплавленного металла. Проведены измерения физических параметров в вакуумной камере экспериментальной установки ВЭЛУ для установления определяющих физических факторов, выявления основных механизмов и закономерностей их влияния. На базе полученных экспериментальных результатов проведены расчетно-теоретические исследования основных теплофизических и гидрогазодинамических процессов, происходивших в установке ВЭЛУ. Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана оригинальная экспериментальная установка для исследования гидрогазодинамических и теплофизических процессов при вакуумном диспергировании расплавленных металлов, позволяющая проводить эксперименты и измерения основных физических параметров в широком диапазоне действующих факторов. На установке получены материалы с улучшенными эксплутационными характеристиками.

2. Впервые проведены экспериментальные исследования процессов, протекающих при получении в вакууме высокоскоростных (10-80м/с) монодисперсных капельных потоков и их кристаллизации в условиях сверхбыстрого охлаждения при ударном взаимодействии с преградой. Установлены основные закономерности образования монодисперсных капельных потоков при центробежном диспергировании конструкционных материалов на основе алюминиевых сплавов. Выявленные в экспериментах особенности физических процессов объясняют полученное в опытах улучшение эксплуатационных свойств конструкционных материалов.

3. Предложены расчетные модели, описывающие теплофизические и гидродинамические процессы на поверхности вращающейся заготовки при воздействии на нее электронного пучка.

4. Впервые изучены вопросы паро-газовыделения летучих компонентов сплавов в вакуумную камеру из капельного потока и с поверхности вращающейся заготовки. Предложена расчетная модель для описания этих процессов.

5. Впервые доказана возможность получения массивных (более 1 см толщиной), имеющих равномерную структуру мелкокристаллических (размер зерна менее 4 мкм) компакт-образцов.

Результаты исследований рабочих процессов в созданной экспериментальной установке ВЭЛУ позволяют выработать практические рекомендации по получению конструкционных материалов из различных марок алюминиевых сплавов с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Результаты работы в части исследования характеристик капельных потоков в вакууме представляют несомненный интерес при создании нового поколения капельных холодильников-излучателей, а также для обоснования технических решений по прогнозу эффектов взаимодействия капель и частиц расплавленного металла с элементами конструкции космических и летательных аппаратов.

Итоги исследований реализованы в ФГУП «Центр Келдыша», ОАО РКК «Энергия» им. С.П.Королева и ФГУП «НПО «Техномаш».

Основные положения диссертации доложены:

- па научно - технических советах Российского космического агентства, г. Москва 1994 и 1996 гг.;

- на научно-техническом семинаре в Институте электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, г. Киев, 1995 г.;

- на научно-практической конференции по проблемам без контейнерного электроннолучевого переплава титановых и других сплавов. Институт электросварки им. Е.О. Патона АН Украины, г. Киев, 1996 г.;

- на семинаре в ФГУП «Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша», г. Москва, 2002 г.

По результатам выполненных исследований опубликовано 10 научных работ и научно - технических отчетов, получен Патент на изобретение. Основными работами по теме диссертации следует считать:

1]. А.А. Глазов, А.Н. Пономарев. «Равновесная кристаллизация жидкой капли при высокоскоростном соударении с преградой». Журнал «Физика и химия обработки материалов», №2, 1996 г.;

2]. Пономарев А.Н. Газодинамические особенности ударного взаимодействия капли с преградой в атмосферных условиях. Экономика и производство. Технологии, оборудование, материалы, № 2, 2004, с. 68-71.;

3]. А.Н. Пономарев. «Исследование динамики диффузии в каплях и выделения в вакуум паров летучих компонентов». ТВТ, 2005, т.43, №6, с.927-932;

4]. А.В.Десятов, А.Н.Пономарев. «Физические особенности образования направленных потоков капель в вакууме при электронно-лучевом диспергировании быстровращающегося тела». Инженерная физика, 2005, №4;

5]. А.Н.Пономарев. «Исследование физических процессов при центробежном диспергировании материалов с высоким парогазовыделением». ИФЖ, 2007, т.80, №2, с.25-35;

6]. А.В. Десятов, А.Н. Пономарев, А.А.Глазов. «Устройство для получения слитков со сверхмелким зерном в глубоком вакууме». Патент №2095428, 1995 г.

На защиту выносится:

1. Экспериментальная установка для центробежного диспергирования металлических материалов при электронно-лучевом нагреве и плавлении вращающейся заготовки с целью получения высокоскоростных (10. 80 м/с) капель и последующего их ударного компактирования в вакууме в монолитные образцы с улучшенными свойствами по сравнению с характеристиками сплавов такого же химического состава, традиционно выпускаемых промышленностью.

2. Экспериментальные результаты по характеристикам потока капель расплава и скорости охлаждения расплава при соударении капель с термоетатируемой подложкой.

3. Методика расчета теплового режима ванны расплава на поверхности вращающейся заготовки при воздействии на нее электронного пучка.

4. Методики расчета диффузии и выделения в вакуум паров летучих компонентов алюминиевых сплавов.

5. Модель образования направленного потока капель расплава.

6. Результаты исследования и сравнения физико-химических характеристик образцов, полученных в экспериментах с параметрами аналогичных металлических материалов, традиционно выпускаемых промышленностью.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованной литературы и содержит 114 страниц текста, включая 37 рисунков и 10 таблиц, 71 библиографическое название.

выводы

1. При центробежном диспергировании расплава с поверхности заготовок поток капель представляет собой узкий, слабо расходящийся пучок. На начальном этапе (1-2 мин.) диспергирования капли отрываются от заготовки не в пределах площадки нагрева бегущим фокальным пятном электронного пучка (угловой размер около полутора градусов), а в некоторой точке, смещенной на угол ф~10 градусов в направлении вращения заготовки. При этом угловой диаметр круга рассеивания капель на отливке не превышает 3-4 градусов. К концу сеанса диспергирования круг переходит в эллипс с угловыми размерами осей 4-6 градусов в поперечном направлении и 12-14 градусов в направлении вращения.

2. В начале диспергирования капельный поток является монодисперсным, отрыв капель от заготовки имеет регулярный характер, а массовый расход капель не зависит от скорости вращения заготовки и составляет 1.5 г/с. На основном режиме диспергирования (К,кР = к, = 20 м/с) диаметр капель составляет d() = 0.55мм, а частота их отрыва от заготовки - &>0=6.4 кГц. Для обобщения экспериментальных данных предложены эмпирические формулы, описывающие зависимости диаметра капель и частоты их отрыва d от скорости вращения заготовки: — dn

Г Л025 (у Л075 А V

V "V

СО со, о окр V и0 у

3. По мере уноса массы с вращающейся заготовки на ней образуется полость, имеющая форму кольцевой канавки кинжаловидного поперечного сечения с острой вершиной (радиус притупления около 0.05мм), и с регулярно расположенными в продольном направлении боковыми наплывами. При этом в спектре капель появляются отдельные более крупные частицы.

4. Эксперименты, проведенные для заготовок из различных сплавов систем: Al-Cu, Al-Mg, Al-Si не выявили различий в характере протекания гидродинамических и тепломассообменных процессов.

5. С помощью расчетно-теоретического анализа показано, что метод «прижога» может использоваться для оперативного контроля мощности электронного пучка, выделяющейся на заготовке.

6. На основе анализа полученных экспериментальных данных и известных теоретических результатов выявлены особенности формы капли в момент отрыва от заготовки и предложен механизм каплеобразования, базирующийся на развитии капиллярно-гравитационной неустойчивости поверхности жидкости в ванне расплава на вращающейся заготовке.

7. Предложена приближенная методика расчета динамики плавления заготовки и теплового режима ванны расплава. Показано, что за один оборот заготовки материал в ванне расплава успевает перейти в твердое состояние. Предложена приближенная методика расчета диффузии летучего компонента сплава и скорости его испарения с поверхности капель и заготовки. Для условий проведенных экспериментов оценены скорости испарения и интегральная масса пара. Показано, что основным процессом, лимитирующим скорость испарения, является диффузия летучего компонента в расплаве.

8. В одномерной постановке решена задача о кристаллизации жидкой капли,

1У? соударяющейся с твердой поверхностью при Ре »1. Показано, что при определенном соотношении между определяющими задачу параметрами происходит обращение границы фазового перехода.

9. Экспериментально определена характерная величина скорости охлаждения расплава на подложке, составившая 106К/с.

10. Экспериментально подтверждено определяющее влияние величины скорости и диаметра капель на размер зерна в получаемых слитках, а так же равномерность их микроструктуры по высоте. Установлено, что температура поверхности подложки влияет на степень растекания капель, а так же вид границ между ними после затвердевания. Впервые экспериментально установлена возможность получения массивных по толщине (>1см) слитков, имеющих существенно более высокие физико-механические и коррозионные свойства в сравнении с их промышленными аналогами.

1.. А. А. Глазов, A.H. Пономарев. «Равновесная кристаллизация жидкой капли при высокоскоростном соударении с преградой». Журнал «Физика и химия обработки материалов», №2, 1996г.

2. А.Н.Пономарев. Газодинамические особенности ударного взаимодействия капли с преградой в атмосферных условиях. Экономика и производство. / Технологии, оборудование, материалы, № 2, 2004, с. 68-71.

3. А.Н. Пономарев. «Исследование динамики диффузии в каплях и выделения в вакуум паров летучих компонентов».//ТВТ,2005,т.43,№6, с.927-932.

4. А.В.Десятов, А.Н.Пономарев. «Физические особенности образования направленных потоков капель в вакууме при электронно-лучевом диспергировании быстровращающегося тел а».//Инженерная физика, 2005, №4.

5. А.Н.Пономарев. «Исследование физических процессов при центробежном диспергировании материалов с высоким парогазовыделением».//ИФЖ, 2007, т.80, №2, с.25-35.

6. А.В.Десятое, А.Н. Пономарев, А.А.Глазов. «Устройство для получения слитков со сверхмелким зерном в глубоком вакууме». Патент №2095428, 1995г.

7. Химический энциклопедический словарь.// М. Советская энциклопедия, 1983.

8. В.В.Кудинов Плазменные покрытия.//М. Наука, 1977.

9. В.П. Алехин, О.В Гусев, М.Х. Шоршоров. «О причинах появления аномальной пластичности в поверхностных слоях кристаллов на начальной стадии деформации».// Физика и химия обработки материалов, 1969 г., № 6, с. 50.

10. С.Г. Бокш, М.А. Губарев, С.Т.Кишкин, Л.М.Мороз Сб.:Поверхностная диффузия и растекание.// М. Наука, 1969, с.264.

11. Физический энциклопедический словарь.//М. "Советская энциклопедия", 1983 г.

12. К. Прис. Эрозия. Том 16 научных трудов по материаловедению и технологиям.// М. "Мир", 1982 г.

13. А.В. Чижов, А.А. Шмидт Высокоскоростной удар капли о преграду.// ЖТФ, том 70, вып. 12, 2000.

14. Духовский И.А., Ковалев П.И.// ПТЭ, 1996, №5, с. 102-105.

15. А.А. Глазов, А.В. Десятов, А.Н. Пономарев, С.В. Фролов. «Разработка технологии электронно-лучевого литья диспергированным расплавом (ЛДР)».// НТО НИИТП, инв. № 1557, 1992г.

16. Аганин Н.А. Явление образования дождя из облаков.// Электрификация сельского хозяйства, 1931, №11, с.18.

17. Я.Г. Гегузин. Капля.// М. "Наука", 1977 г.

18. Я.Г. Гегузин. Пузыри.//М. "Наука", 1985 г.

19. М.Б. Альтман, А.А. Лебедев, М.В. Чухров.// Плавка и литье легких сплавов. М, "Металлургия" 1969 г.

20. С.В. Сергеев. Физико-химические свойства жидких металлов.// М. Оборонгиз,1952 г.

21. Физическое металловедение.// Том 2. Фазовые превращения в металлах сплавах. Сплавы с особыми свойствами. Под редакцией Р.У. Канна и П. и Хаазена. М."Металлургия", 1987 г.

22. И.Я. Файзуллин, В.Н. Щеринов, П.Н. Воронов. Методы измельчения зерна в структуре литых деформируемых сплавов.//ЦНТИ «Поиск».Обзор по материалам отечественной печати за 1965-1981 г.г., серия УIII, №96, ГОНТИ-Н, 1983 г.

23. Р. Хоникомб. Пластическая деформация металлов. Перевод с английского под редакцией Б.Я. Любова.//М. "Мир", 1972 г.

24. А.Н Пономарев. « Разработка технологии электронно-лучевого литья диспергированным расплавом (ЛДР)».//НТО НИИТП №2145, 1995г.

25. А.А. Глазов, А.В. Десятов, А.Н. Пономарев , С.В. Фролов. «Разработка технологии электронно-лучевого литья диспергированным расплавом (ЛДР)».// НТО НИИТП №1569, 1993 г.

26. А.А. Глазов, А.В. Десятов, А.Н. Пономарев. « Разработка технологии электронно-лучевого литья диспергированным расплавом (ЛДР)».// НТО НИИТП, инв.1744, 1993 г.

27. А.А. Глазов, А.В. Десятов, А.Н. Пономарев. «Разработка технологии электронно-лучевого литья диспергированным расплавом (ЛДР)».// НТО НИИТП, инв.1820, 1994г.

28. А.А. Глазов, А.В. Десятов, А.Н. Пономарев. «Разработка технологии электронно-лучевого литья диспергированным расплавом (ЛДР)».// НТО НИИТП, инв.1951, 1994г.

29. А.А. Глазов, А.В. Десятов, А.Н. Пономарев, С.В. Фролов. Разработка технологии электронно-лучевого литья диспергированным расплавом (ЛДР).//НТО НИИТП, инв. .№ 1557,1992 г.

30. Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов и др. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. Справочник. //М. "Машиностроение", 1985 г.

31. Шумахер Б. Законы проникновения электронов в вещество. В кн. Электронно и ионно- лучевая технология.// М. "Металлургия", 1968 г. с.7-43.

32. Пушка электронная аксиальная ЭПА-60-04.2. Паспорт.// М., ВЭИ, 1988 г.

33. А.И. Пехович, В.М. Жидких. Расчеты теплового режима твердых тел.// JI. "Энергия", 1976 г.

34. Зуев И.В., Рыкалин Н.Н., Углов А.А.» О колебаниях глубины проплавления при электронно-лучевой сварке».// Физика и химия обработки материалов. 1975 г., № 1, с.136.141.

35. Физические величины.Справочник. Под редакцией И.С. Григорьева.// М. "Энергоатомиздат", 1991 г.

36. Л.И. Седов. Методы подобия и размерности в механике. 9 издание.// М. Наука.1981 г.

37. Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Том 2 . Термодинамика и молекулярная физика.// М. "Наука", 1990 г.

38. В.А. Скрипов. Метастабильные жидкости.//М. "Наука", 1976 г.

39. Лыков А.В. Теория теплопроводности.// М. Высшая школа, 1967, 600 с.

40. Э.Камке. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям.// М. Издательство иностранной литературы, 1951, 828 с.

41. Р.В. Поль. Механика, акустика и учение о теплоте. Перевод с 16 немецкого издания.//М. "Наука", 1971 г.

42. Дж.В. Стретт (лорд Рэлей) Теория звука. Т.2.// М.: ГИТЛЛ, 1955, с.475.

43. B.C. Чиркин. Теплофизические свойства материалов. Справочное руководство.// М. "Физматгиз", 1959 г.

44. Б.Н. Сегал и К.А. Семендяев. Пятизначные математические таблицы. / / М. Физматгиз, 1962 г.

45. А.В. Лыков. Теплообмен. Справочник.// М. "Энергия", 1978 г.

46. Вакуумное оборудование. Каталог.// Цнитихимнефтемаш. М. 1976 г.

47. Л.Н. Розанов. Вакуумная техника.//М. "Высшая школа", 1982 г.

48. С.Дэшман. Научные основы вакуумной техники.// М. Издательство иностранной литературы, 1950.

49. Дж. Стронг. Практика современной физической лаборатории.//М."Огиз",1948 г.

50. Т. Бураковский и др. Инфракрасные излучатели. //Л. "Энергия", 1978 г.

51. Г.Н. Абрамович Прикладная газовая динамика.// М. Наука, 1976г.

52. Подшипники с газовой смазкой. Перевод с англ.// М. Мир, 1966г.

53. Быстрозакаленные металлы. Сборник научных трудов под ^редакцией Б.Кантора. Перевод с английского.// М. "Металлургия", 1983 г.

54. С.Г. Глазунов, К.М. Борзецовская. Порошковая металлургия титановых сплавов.//М.: Металлургия, 1989.- 136с.

55. Harlow F.H., Shannon J.P. The Splash of a Liquid Drop.//J. Appl. Phus., 1967, v.38, N10, p. 3855-3866.

56. Актуальные проблемы криобиологии. Под ред. Н.С. Пушкаря и A.M. Белоуса.// Киев, "Наукова "думка", 1981, 386с.

57. В. В. Кудинов, П.Ю. Пекшев, В.Е. Белащенко. Нанесение покрытий плазмой.// М., "Наука", 1990, 406с.

58. Т. Себиси, П. Брэдшоу. Конвективный теплообмен.// М."Мир", 1987, 592с.

59. Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя.// М.,"Наука", 1974, 712с.

60. Т.Гудмен. Применение интегральных методов в нелинейных задачах нестационарного теплообмена., в, кн. Проблемы теплообмена. //М. "Атомиздат". 1967, 335с.

61. Zien T.F. Analytical Study of Heat Conductin with Phase Transition.// AIAA Paper 76-171.

62. Т.Ф. Цянь. Интегральные методы решения задач абляции при изменяющейся во времени плотности теплового потока. //Ракетная техника и космонавтика, 1978, т. 16, N12, с.91-100.

63. Э.Хайрер, С.Нерсетт, Г.Ваннер. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Нежесткие задачи.//М., "Мир", 1990, 512с.

64. А.А. Глазов. Метод расчета саморазогрева монолитных металлических тел в потоке окислительного газа.// НТО, НИИ тепловых процессов, 1989, № 1192 г.

65. Nakourakov V.E., Pokusaev G.B., Trouan E.N. Implgnment of an Axisymmetric Liquid Jet on a Barrier. //Int. J. Heat and Mass Transfer, 1978, v.21, p.l 175-1184.

66. B.B. Немошкаленко . и др. Аморфные металлические сплавы.// М.: Металлургия, 1983г.

67. Промышленные деформируемые, спеченные и литейные алюминиевые сплавы. Отв. Редакторы Ф.И. Квасов, И.Н. Фридляндер. //М. Металлургия, 1972 г.

68. А.П. Гуляев. Металловедение.//М. Металлургия, 1986 г.

69. B.C. Золоторевский,- Структура и прочность литых алюминиевых сплавов. // Москва: Металлургия, 1981.-192с.

70. С.А.Филиппов, И.В.Фиргер. Справочник термиста.//Л. "Машиностроение", 1975 г.

71. Космонавтика. Энциклопедия. //М. "Советская энциклопедия", 1985 г.