Моделирование лазерно-оптических методов измерения параметров дисперсных частиц в запыленных плазменных струях тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

J Контры: i., i э..зэкпляр|

На правах рукописи

КАРТАЕВ ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛАЗЕРНО-ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ В ЗАПЫЛЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ СТРУЯХ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК - 2005

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского Отделения РАН (г. Новосибирск).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

О.П. Солоненко

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

ВЛО. Ульяницкий;

кандидат физико-математических паук, с.н.с. А.А. Павлов

Ведущая организация: Институт теплофизики СО РАН (г. Новосибирск)

Защита состоится « » 2005 года в__час.__мин. на заседании

диссертационного совета Д 003.035.02 по присуждению ученой степени доктора наук в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, ул. Институтская, 4/1.

С диссертацией можно ознакомился в библио1еке Института теоретической и прикладной механики СО РАН.

Авюреферат разослан« » 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук -^si —И.М. Засыпкин

f /Л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Последнее десятилетие характеризуется растущим интересом к напылению покрытий из оксидов металлов (А120з, Zr02, ТЮ2, Сг203 и др.): термобарьерных, каталитических, электроизоляционных, износостойких и т.п. Это подтверждается большим числом публикаций и регулярностью конференций и симпозиумов, проводимых в данной области, например, Международных конференций по термическому напылению - Кобе, Япония, 1995; Ницца, Франция, 1998; Монреаль, Канада, 2000; Сингапур, 2001; Эссен, Германия, 2002; Флорида, США, 2003; Осака, Япония, 2004; Базель, Швейцария, 2005 Подчеркивается, что повышение качества и улучшение структуры напыляемых материалов во многом определяется степенью понимания гидродинамических и теплофизических процессов, происходящих при высокоскоростном соударении микрокапель тугоплавких оксидов с металлической подложкой или напыляемым покрытием.

При плазменном напылении, включающем практически все характерные особенности технологий газотермического напыления (ГТН), покрытие формируется путем послойной укладки отдельных сплэтов - растекшихся и затвердевших на подложке капель расплава [1]. В этой связи, постановка комплексных исследований, обеспечивающих проведение по возможности полностью контролируемых модельных физических экспериментов, корректную интерпретацию получаемых опытных данных, прогнозирование на их основе более детальной картины указанного явления является актуальной проблемой. Ее решение во многом определяется возможностью постановки комплексных теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия «капля оксида металла - поверхность» при полном контроле ключевых физических параметров (КФП): скорости Upo, размера Dp, температуры Тр0 частицы при ее соударении с подложкой, имеющей заданную температуру и состояние поверхности.

Указанная проблема является объектом постоянных и интенсивных исследований также в ряде исследовательских групп за рубежом: в Японии (Т. Yoshida, The University of Tokyo, Tokyo), США (R. Neiser, Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico; S. Sampath, State University of New York at Stony Brook, New York), Франции (P. Fauchais, University of Limoges, Laboratory of Ceramic Materials and Surface Treatment, CNRS), Германии (University of Dortmund, Institute of Materials Technology), Канаде (С. Moreau, National Research Council, Industrial Materials Institute).

В работе [2] предложена физическая модель и получено аналитическое решение, описывающее равновесное затвердевание капли расплава оксида металла, при ее растекании на твердой подложке (число Прандтля Рг>1, что соответствует высокой вязкости и низкой теплопроводности материала капли расплава). В модели процесс формирования сплэта состоит из двух стадий: 1) напорного идеального растекания расплава над поверхностью квазистационарного вязкого слоя, вытесняемого движущимся от подложки фронтом затвердевания, с выходом вершины частицы на внешнюю границу вязкого слоя; 2) вязкого инерционного растекания сформировавшегося тонкого слоя расплава, завершающегося встречей фронта затвердевания со свободной поверхностью.

Целью работы являлось: создание модельной автоматизированной плазменной установки для экспериментального исследования процессов формирования сплэтов тугоплавких материалов, широко применяемых в технологии напыления, в условиях полного контроля КФП (скорость, температура, размер микрокапли расплава перед ее соударением с подложкой; температура основы и состояние ее поверхности); практическая реализация нового метода гшпгжремрнппД чмгпкг"Ч'"рг,'-г'"-'" регистрации in-situ КФП одиночных частиц в запыленной гию&еНAUW Ь^АЛванного на комбинации

БИБЛИОТЕКА i

стандартной двухцветовой, а также j-рехцветовой пирометрии и времяпролетного метола; получение с помощью созданной 'экспериментальной установки представительноi о набора модечыплх сплтгов AI2O3 и ZrCX осажденных на полированные металлические подложки (нержавеющая сталь; подслой CoNiCrAlY, напыленный в динамическом вакууме на подложки из никелевого сплава); экспериментальная верификация теоретических основ формирования сил')гон, тестирование известных в литературе зависимости. харак1сриз>ющих толщину сплэтв и cicnenb деформации канет, оксидов металлов.

Научная новизна. В работе впервые получены следующие научные резучкгапд:

1. Создана модельная физическая установка, с помощью которой осуществляете» ускорение, нагрев, плавление и выделение из плазменною потока одиночных частиц ту-юнлавких оксидных керамик (AI2O3, Z1O2) с контролем температуры подложки. Па базе модельной установки реализован быстродействующий диагностический комплекс для измерения КФП одиночной частицы непосредственно перед ее соударением с поверхностью подложки, работающий в режиме on-line с компьютером.

2. Для нахождения КФП на(ретой в плазменной струе одиночной частицы впервые применена трехцветовая пирометрия в комбинации с времяпролетным методом и специально разработанной вычислительной процедурой, основанной на анализе взаимной корреляции реального и модслыюю пирометрических сигналов в сочетании с процедурами оценивания характеристик по МНК

J. Предложенный диагностический комплект пошолил расширить возможности и повысим, ючность определения темпера 1\ры частиц, что особенно актуально при измере-иии параметров частиц полупрозрачных материалов (Л12(>, Z1O2 и др), когда вынос излучения происходит из всего объема частицы, а измерения проводятся р условиях значительного градиента температуры внутри частицы. Получен набор экспериментальных сплэтов указанных оксидов, осажденных при полном контроле КФП на полированные металлические подложки (нержавеющая сталь; подслой CoNiCrAlY), а также подложки из кварца.

4. На основе полученных модельных опытных данных проведена верификация указанного выше теоретического решения, характеризующего толщину и диаметр сшитое при Рг>1 в условиях их стабильного формирования Показано, чго данное решение хорошо согласуется с ^ксперимгнюм без введения какого-либо шпирического кочффи-циета и может быть использовано при теоретическом обобщении опытных данных

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов не вызывает сомнений по следующим причинам:

-- для диагностики КФП дисперсных частиц оксидных керамик в плазменных струях применяются известные, широко апробированные методы: скороеi к частицы -времяпролетный метод по собственному излучению: температуры - методом пирометрии спектрального отношения, а также методом трехцветовой пирометрии; размера частицы - на основе полученного значения ее температуры, а также по рассеянному лазерному излучению в центре гауссовой перетяжки;

— проводилось предварительное моделирование диагноешки КФП частиц на основе известных характеристик приемной аппаратуры, а также ее качественная калибровка;

— основные результаты работы физически непротиворечивы, качественно и количественно согласуются с разработанной моделью равновесного растекания и затвердевания микрокапли оксида металла на металлической основе;

— важным свидетельством достоверности полученных в диссертации результатов является их серьезное обсуждение на ряде международных семинаров, симпозиумов и конференций, а также обсуждение Э1их результатов со специалистами в данной области.

Практическая ценность. Выполненный цикл комплексных исследований позволил впервые осуществить экспериментальна теоретическое доказательство одновременною протекания процессов деформации и затвердевания капель металлических оксидов при их соударении с подложкой в широком диапазоне режимных параметров.

Результаты экспериментов по взаимодействию капель оксидов металлов (Alft, ZiOj) с подложками положены в основу создания атласа модельных сплэтов и могут использоваться при тестировании различных моделей явления, интерпретации данных ма-териаловедческих экспериментов при изучении покрытий, а также при оптимизации конкретных технологий ГШ. Получетше результаты представляются полезными для проектирования и оптимизации процесса напыления термобарьерных, каталитических и ;фугих покрытий из оксидов металлов на различные подложки. Кроме того, они стимулировали развитие комплексного подхода при численном моделировании конкретных технологических процессов плазменного напыления.

Автор защищает:

1. Модельную физическую установку, с помощью которой осуществляется ускорение, нагрев, плавление и выделение из плазменного потока одиночных частиц тугоплавких оксидных керамик (AI2O3, Z1O2) с одновременным контролем температуры подложки.

2. Быстродействующий диагностический комплекс для измерения КФП частицы по ее собственному, а также рассеянному лазерному излучению перед соударением с подложкой, работающий в режиме on-line с персональным компьютером. Измерение КФП частицы основано на комбинации врсмяпролетного метода, цветовой, а также трехцветовой пирометрии в приближении «серого» тела, что позволяет проводить перекрестную проверку по!решпостей методов в широком диапазоне режимных параметров.

3. Модельные экспериментальные данные, полученные при полном контроле КФП и положенные в основу создания атласа модельных дискообразных сплэтов капель оксидов металлов при их стабильном растекании на полированных подложках из нержавеющей стали, сплава CóNiQAIY и кварца.

4. Экспериментальную верификацию теоретическою решения двухегадийной модели стабильного растекания и затвердевания в системе «плотная капля металлического оксида - основа», проведенную на основе анализа и обобщения полученных модельных экспериментальных данных.

Апробация работы- Основные положения рабогы представлялись на следующих конференциях и симпозиумах: 13, 14,15, 16 и 17 Международных симпозиумах яо илазмо-химии (Пекин, Китай, 1997; Прага, Чешская республика, 1999; Орлеан. Франция, 2001; Та-ормина, Италия, 2003; Торонто, Канада, 2005), 3 Международном рабочем совещании «Плазмотроны термической плазмы и технологии» (Новосибирск, 1997), 17 Межреспубликанской конференции «Численные методы решения задач теории упругости и пластично сти» (Новосибирск, 2001), Международной конференции по термическому напылению (Базель, Швейцария, 2005) и др.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекг 98-02-17810 на 19982000 тт.: «Цикл модельных исследований плазма - микрочастица и микрокапля расплава -поверхность: теория, совместный физический и вычислительный эксперимент»); Сибирского отделения РАН (междисциплинарные интеграционные проекты СО РАН на 19975999 [-г ^ проект 28: «Физические процессы на границах раздела при получении гетерогенных материалов и покрытий»; на 2000-2002 п., проект 45: «Разработка принципов мезомс-ханики и внутренних границ раздела и конструирование на их основе градиентных конструкционных материалов и многослойных топкопленочных структур для электроники»; на 2003-2005 гг., проект 93: «Разработка принципов и технологий создания наноструктурных

состояний в поверхностных слоях и на внутренних границах раздела высокоресурсных конструкционных и функциональных материалов»); Министерства высшего специального образования и РАН (Федеральная целевая программа «Государственная поддержка инте-1 рации высшею образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы» (Ф1ЦТ «Интеграция.)), Федеральная целевая научно-техническая пртрамма «Исследования и разработки но приоритетным направлениям развития на} ки и техники гражданского назначения» (подпро!рамма «Новые материалы», раздел: «Компьютерное конструирование высокоресурсных градиентных металлокерамических и композиционных порошковых покрытий консфукционного и функционального назначения, получаемых методами плазменного напыления»); в рамках международного научного сотрудничества между Институтом теоретической и прикладной механики СО РАН и Инс (тутами разрушения и надежности Тохо-ку университета (г. Сендай, Япония).

Публикации. 11о теме диссертации опубликовано 15 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из предисловия, трех глав, заключения и списка литературы Полный объем составляе1 173 стр., включая 64 рисунка и 19 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характерис тика работы, обосновывается выбор и актуальное ть темы диссертационной работы, сформулированы ее цель, научная новизна, практическая ценность, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведено общее описание особенностей процессов ускорения, нагрева, плавления и испарения дисперсных частиц в высокотемпературной струе, их взаимодействия с преградой. Проведен сравнительный анализ методов измерения скорости, температурь; и размера частиц, указаны основные проблемы измерений указанных параметров частиц в высокотемпературных струях и характерные величины погрешностей, связанные со спецификой каждого из описываемых методов.

На основе литературных данных показано, что относительная погрешность метода двухнветовой пирометрии (пирометрии спектрального отношения) при измерении температуры частиц оксидов металлов может быть достаточно велика Это обусловлено следующими факторами (наряду с 10-20% в области фазовых переходов)- 1) отсутствием данных по спектральной зависимое™ излучательной способности тугоплавких час-тин оксидных керамик при высоких температурах (исключая АуЭз); 2) неизогермично-стью часгицы [31, возможностью наличия сложных агретатных состояния (неполного проплавления, образования пузырей и испарения). Показана возможность применения метода полихроматической пирометрии с целью повышения информашвности измерений, перекрестной проверки измерения цветовых температур керамических частиц.

В шаве приводится подробный обзор и анализ основных известных на сегодняшний лень видов диагностических комплексов для измерения параметров дисперсной фазы. указанные значения иофсшностей измерения КФП в высокотемпературных струях сведены в таблицу. Наиболее распространенной ш них является серийно-выпускаемая аппарата 1)РУ20С0 на основе имерения скорости частиц с помощью времяпролетного метода по собственному излучению, температуры - методом двухцветовой пирометрии, размера - на основе полученной цвеювой температуры частицы. Отмечена проблематичность его применения при исследовании процессов формирования одиночных сплэ-тов оксидов металлов при полном контроле КФП в силу указанных выше факторов.

Во второй главе содержится описание метода и аппаратуры для выделения из плазменной струи и одновременно! о измерения КФП одиночных частиц перед ударом о подложку [4]. а также описание физико-математической модели диагностического

комплекса на основе применяемых методов, данных по оптическим свойствам плазмы и материалов частиц, характеристикам приемников.

Для комплексной диагностики одиночных частиц в плазменной cipye используется секторная многощелевая диафрагма с полным углом раскрытия <р и осью симметрии О.х, (рис.1). При изучении формирования одиночных сплзтов применялась двухщелевая модификация диафрагмы, изображенной на рис. 1 (без третьей щели); скорость оценивалась на основе анализа взаимной корреляции модельного и реального сигналов в сочетании с процедурами оценивания хараю еристик с помощью МНК. Расчет модельных сигналов для каждого диапазона длин волн производтся coi ласно зависимоеги:

где ¿XÁ) - тарировочный коэффициент i-го оптико-электронного тракта, связывающий излучаемые частицей световые потоки с регистрируемыми значениями аналоговых сигналов (в вольтах); f(Dp,up, <pp,i) - фуякция, описывающая прохождение изображения сферической час!ицы диаметром Ор и плоскости приемной диафрагмы, в зависимости ог се скорости Up и угла <рп пересечения контрольного измерительного объема (КИО), пропорциональная площади изображения частицы, последовательно вырезаемой щелями S, и Sw (рис. 21; г(Л„Тр), (г-1,2,3) - излуча!ельная способность частицы в центре пропускания г'-ю интерференционного фильтра; Ф,(Л), Ае[Я,-ЛЛ/2; Л,+АЛп/2] - пропускание /-го ишерференционною фильтра; С|=3,7413х10'16 Вт-м2; С:-4,4388х104 мкмград - постоянные спектральной яркости излучения абсолютно черного тела (АЧ'Г) в формуле Планка. Знание скорости частицы позволяет найти положение постоянной составляющей (в реальных условиях зашумленного «плаго» на рис. 2) сишалов и оценил, цветовую температуру часгицы Тс из соотношения:

.___С4Л___

,¿u ' УА'[схр(С2!ЛТС)-1J Ü ¡¿(Л)

' ? Ф (Л)____^__

где U, и Uj- средние значения амплитуд (в вольтах) трапецеидальных сигналов в соответствующих областях спек;ра. Для повышения надежности измерения температуры частицы используется независимое одновременное измерение в двух парах длин волн. Л3 -0,6328 мкм и ¿2=0,8906 мкм, а также Яг 0,7212 мкм и Л2=0,8906 мкм. Кроме того, для определения температуры часгицы используется предложенный в [5,6] алгоритм, основанный на анализе МНК отклонения эксперимешалыюй мощности излучения частицы от модельной в измеряемых областях спектра А,--0,7212 мкм, -Яг €,8906 мкм, Я3=0,6328 мкм (метод трехцчетовой пирометрии), т.е находится минимум функции-невязки

л(л __'j^-iL [ i J_L (з)

tv l'l

Здесь 7úCp - площадь миделева сечения излучающей частицы, причем если излучатель-ная способность неизвестна, то используется приближение АЧТ, т.е. £{Л„ Т)= 1. !

Минимальное значение функции A(Rp,s,T) наилучшим образом обусловлено, если используется линейная аппроксимация £(Л)~ап+а^Л [5, 6]. Поскольку размер частицы

не известен (известен лишь диапазон его изменения), использовано приближение «серого» тела: с(Х)=ай=сот^ в рамках метода трехцветовой пирометрии. Размер частицы Ор на основе оценки постоянной составляющей трапецеидального сигнала на длине волны ¿1-0,7212 мкм находится с помощью М1ГК для экспериментальной реализации и модельной, отвечающей найдепным значениям ир для цветовых температур, а также срсд-необъемной температуры частицы, полученной методом трехцветовой пирометрии.

В случае, когда известна спектральная зависимость излучательной способности с.(Хи Т) при высоких температурах, полученного значения цветовой температуры достаточно, чтобы более точно измерять размер частицы. Для расплавленных частиц А1201 (показатель поглощения тт-Ю^-Ю"2) в области размеров 10-50] мкм указанная зависимость приводит к методической погрешности измерения температуры, величина которой зависит от температуры частиц (через т} = т]{Х,Тр)) и спектральной области измерений [7,8] в приближении выполнения закона Кирхгофа [9]. Для оценки размера одиночных частиц АЬО» применялся метод измерения по абсолютной интенсивности рассеянного на частице лазерного излучения в центре гауссовой перетяжки на длине волны ¿4=0,488 мкм, при прохождении изображения частицы через одну из шел ей. В главе кратко изложены положения обобщенной теории Лоренца-Ми, с точностью до поправочного множителя (при больших конечных размерах лазерной перетяжки) сводящейся к плосковолновой теории рассеяния Ми. Расчет индикатрисы рассеяния сфокусированного лазерного сучка на сферических частицах АЩ] в рамках обобщенной теории показал, что в диапазоне азимутальных углов 120°-160° (обратное рассеяние) ее температурная зависимость не существенна, что позволяет обоснованно подойти к выбору геометрии канала приема рассеянно! о лазерного излучения и требуемой мощности лазера.

На основе все1 о изложенного выше, проведено моделирование нахождения параметров одиночной частицы, выделенной из плазменной струи, с помощью программного комплекса виртуальной диагностической аппаратуры. На первом Э1апс производится моделирование пролета «экспериментальной» частицы заданною размера и температуры через КИО под определенным углом к оси в каждом спектральном канале приемной аппаратуры с учетом пропускания интерференционных фильтров и характеристик ФЭУ. При заданных скорости и угле пролета через КИО формируется исходная реализация на основе прохождения изображения частицы через диафрагму на рис.1 (без третьей щели). Амплитуда шумовой составляющей сигнала («белый» шум фона воздушной плазмы и дробовых шумов ФЭУ) задавалась в долях от амплитуды сигнала ш частицы. В рамках физико-математической модели были проведены оценки характерных величин потоков фонового излучения возду шной плазмы и дробовых шумов ФЭУ.

На следующем этапе решалась обратная задача - восстановление «неизвестных» параметров частицы. Значение вектора скорости | мр| частицы находится путем отыскания максимума взаимной корреляции между исходной реализацией на одном ш каналов и семейством модельных реализаций для пробных частиц переменной скорости при фиксированных значениях угла их пролета <рр=0 внутри КИО, среднем значении их размера Вр=фрхлп+£>л„1ах)/2 и температуры Тр-(ТР1тп+ТР1ПШ)/2, исходя из диапазонов изменения последних. Определяющую роль па данном этапе имеет широкая щель ввиду ее инвариантности относительно угла Затем при тех же значениях размера я температуры и найденной оценки модуля вектора скорости частицы варьируется угол пролета <рр для заданных узлов разбиения сектора \-<р/2\(р/2]. Здесь используется существенная неинвариантность по ¡рр, т.е. различие между временами пролета частицы между запускающим фокусом О1 и щелыо 81. Скорость частицы позволяет найти положение «плато»

сигналов в рабочих областях спсктра и определить цветную 1С\шературу «серой» час-шцы Тс из соотношения (2). Размер частицы Лр определяется с помощью МПК для исходной реализации и модельной, отвечающей уже найденным значениям КФП

Расчеты показали, что погрешность восстановления скорости и угла пролета данным м ею дом обработки сигналов почта не зависш от степени их зашумленности и не превышает 3 и 10% соответственно (при малых углах пролета крупных частиц погрешность восстановления угла достигает 20%). Приведены относительные погрешности восстановления темпера!уры (АТ,УТр) и диаметра (АЛ/ЛР) д гя различных значений относит елыюй дисперсии шума и/Р, связанные с пмрешносгыо определения амилитуды пирометрических сигналов и нременем нахождения частицы в измерительном объеме (числом отсчетов N дискретизации А1 [Д, по которым находятся средние значения амплитуд). На «плато» сигнала приходилось 80-100 отсчетов, что позволило определят!, ¡емпературу и диаметр частиц с приемлемой точностью даже для сильно зашумленных сиг патов. Например, для исходных параметров чаешцы АЬО;, Лг,-50 мкм, ир-75 м/с. Гр-2500 К, {рр- 0 получено, что ;1дя уровня а/Р 28,7% указанные ко!рсшносги составили 3 и 8%, соответственно В качестве параметров оптической системы (полоса пропускания А/", спектральная чувсгвпгельность ФОУ Бх) использованы "характерные" величины.

Принципиальная схема диатносшческого комплекса приведена на рис.3 Локализация области измерений осуществляется с помощью диафраьмы, установленной в плоскости изображения чаешцы. Изображение частицы с помощью приемного объектива 11 проецируется па двухщелевую секторную диафрагму Э!}, представленную на рис.1 (без фстьей щели). При пересечении частицей КИО излучение с помощью дихроичных зеркал ОМь ВМ2, ВМ3 и передающей оптики проецируется на фогокаюды РЕМЬ РЕМ2, РЕМ3, перед которыми установлены светофильтры Рь Р2, Р3, пропускающие излучение в узких областях спсктра. Для запуска диагностической аппаратуры используется подсветка струи лазерным лучом. Круыое отверстие О] секюрной днафра1 мы служит для приема рассеянного на частице лазерного излучения, которое с помощью зеркал ВМЬ ОМ(, М2и передающей отики проецируется на фотокатод РЕМ4, перед которым расположен узкополосный интерференционный светофильтр Р», пропускающий излучение на длине волны Аг лазера {А^—0,488 мкм). АЦП позволяет синхронно регисфирова/ь сигналы по всем канатам с типичными временами дискретизации сш налов 25 и 50 не.

11е»аииеимо допускалась возможность оценки размера частицы АУЭ^ по амппшу-де регистрируемого рассеянного сш нала гауссовой формы (в вольтах), связанного с мощностью Р^ц рассеянного на частице (расположенной на оси гауссовой перетяжки) лазерного излучения. представляет собой интеграл интенсивности 1т(г,0,ф) излучения. рассеянного в пределах телесьою уит приемною объектива Ц. 0, <р) в дальней зоне рассчитывается согласно обобщенной теории Лоренца- Ми.

В главе изложена процедура тарировки оигико-элсктроннмх каналов диагностической установки по температуре с помощью лампы ТРУ-1100-2350 с вольфрамовой питью накат к качестве эталонною источника, (арировка проводилась для отверстая вращающеюся диска, имитирующего частицу диаметром 83,4 мкм при различных температурах вольфрамовой нити лампы. Используя данные но излучателышй способности вольфрама (/V порядка 100), получено [10], что оцененная погрешпоегь по температуре эталонного источника составляет примерно 100 К. При этом погрешность восстановления размера не превышает но1рсшности определения тарировочных коэффициентов (4%), а темпера/уры - 1-2%. Здесь же описана процедура определения тарировочного коэффициента ¿ЦА*) для оценки размера частиц по интенсивности рассеянного лазерною излучения, которая заключалась в исследовании слабозапыленного потока (при комнатной

температуре) предварительно сфероидизированных частиц Л1201 размером Л,,е[20-:-80] мкм. Регистрировались сигналы от одиночных частиц, полученные при рассеянии в обратном направлении падающего излучения; улавливания частицы на подложке, смоченной глицерином, и измерения размера частицы под микроскопом.

В разделе 2.5 разработанный программный комплекс был применен для анализа возможностей полихроматической пирометрии для измерения параметров частиц с помощью поиска минимума функции-невязки (3). Исходными данными служили размер частиц, их скорость и температура, а также температура плазмы. Диаметр частицы, ее скорость и темперагура I аза были фиксированы, в то время как температура частиц варьировалась в диапазоне 7/^2400^3200 К. Расчет модельных сигналов для каждого спектрального диапазона длин волн проводился согласно зависимости (1). Анализ мего-да выполнен для частиц А12Оз. Поскольку радиус часгицы Т^не известен (известен лишь диапазон его изменения), использовано приближение «серого» тела- е(Х)--ап сопзг в рамках метода трехцветовой пирометрии Область изменения величин и Т

покрывается сеткой с узлами (¡7„7)), /-1,.. .Л';. В узлах сетки находятся соответ-

ствующие значения А„. Значения величин д*, 7'*, для которых

являются искомыми. Величина ¿>аррх характеризует точность аппроксимации данных в принятой модели. Здесь V, - среднее значение амплитуды трапецеидального сигнала в г-м спектральном диапазоне. Погрешность определения амплитуды пирометрического сигнала в области «плато» трапецеидального сигнала зависш ог величины дисперсии шума сг (здесь дробового шума ФЭУ) и N. Исходя из этою, можно оценить стандарг-ную ошибку о оценки среднего значения амплитуды пирометрических сш налов:

где N - число от счетов на «плато», по которым проводится усреднение.

На рис 4 приведены значения д*. Т*. получаемые в результате минимизации функции Л(</*,Г*), которые считаются адекватными дачным регистрации сигналов {(7,}, (=1,2,3. если <!>аррГ <3. Анализ метода полихроматической пирометрии для измерения температуры частиц А1?Оз показал, что данный мы од наилучшим образом обусловлен (имеет острый минимум среднеквадратичного о(кло1)еиия модельного и «экспериментального» спетров излучения частиц) в предположении «серого» изтучения частиц.

В этом же разделе метод трехцветовой пирометрии был применен для диагностики одиночных частиц сфероидизированного узкофракционного порошка АУЭЪ (среднее значение размера *-"/>р>--=39,3 мкм, стандартный разброс 1.13 мкм). Количество частиц в выборке - порядка 100. Получено распределение частиц по скорости (средняя скорость частиц - 137,4 м/с. етандаршый разброс - 16,8 м/с); на рис.5,а,б,в представлены распределения частиц но температурам: а, б цветовых температур 7'сл и ТсП\ в - распределение трехцветовой температуры частиц 7'-, Хотя температуры во всех случаях полутень! в предположении «серого» излучения, более предпочтительны значения вследствие меньшей инструментальной погрешности На рис.6,я,б,в приведены распределения частиц тго размеру, полученные по амплитудам пирометрического сигнала с учетом найденных температур: а, б- по цветовым температурам Т1?3 и ТС12, в - по температуре Г3с и позволяющие косвенно судить о точности измерения температуры. Распределение

>

Л(<ДГ) = тгпД,,^/£г//

(4)

частиц но размеру, определенное но трехцвстовой температуре ТЪс (рис.6,в), наиболее близко к распределению частиц по размеру исходного порошка: диапазоны изменения размера совпадают, хотя внутри этого диапазона значения распределений отличаются

Одним из основных исючников погрешности измерения температуры частиц является нарушение предположения о "серости" излучения частиц. В этой связи, исследованы возможности меюда четырехпветовой пирометрии (наряду с грехцветовой и цветовой пирометрией) в предположении линейного характера спектральной зависимости излучат ельной способности e(l,T) - аа с целью более точной оценки средней температуры по ансамблю частиц А1Д (четвертый канал Л4-0.5145 мкм). В качестве приемников излучения анализировались Ф')У-83, применяемый в настоящей установке, и лавинный фотодиод (ЛФД) S5344 фирмы HainamatsuInc. Оказалось, что сгагистически близкое значение температуры частии даст чешрехцветовая темпера гура, обладая при этом стандартным тройным разбросом ±150 К. При заданном уровне шумов коэффициент a¡ имел погрешность 20-25% Выборочные средние трехцвеговой и цветовых 1емператур оказались смещены относительно истиной темпера туры из-за наличия методической погрешности. Относительный вклад дробовых шумов ЛФД в абсолютную погрешность составлял +15 К. Моделирование процесса диагностики одиночных частиц AI2O) диаметром 50 мкм при более высоких температурах с использованием ЛФД S5344 и ФОУ-83 показало существенное преимущество ЛФД вследствие более низкой аппаратурной погрешности как в трех-, так и четырехцвеговой пирометрии.

В третьей главе укачанные средства диагностики используются для измерения КФ1Í одиночных частиц Al/>¡ и Z1O2 и получения представительного набора их сплтгов.

В разделе 3.1 приведено описание модельной физической установки, отличающейся от установки, «оказанной на рис.3, включением: 1) узла выделения одиночной частицы (водоохлаждаемая диафрагма с отверстием диаметром 1 мм, вращающийся диск и шток электромагнитного затвора для перекрывания отверстия); 2) диафрагмы SD с перпендикулярными узкой S, и широкой S2 щелями шириной соответственно wr~-100 мкм, w2~-800 мкм, расстояние между щелями 1=800 мкм; 3) подложки S (на расстоянии 4 мм от КИО). закрепленной на поверхности омического нагревагеля с термопарой, что позволяло изменять и контролировать ее температуру от комнатной до 650 К.

Для одновременного измерения КФ11 частицы AI2O, перед соударением с подложкой применена комбинаты методов измерения размера по абсолютной интенсивности рассеянного на частице лазерного излучеггия и двухцветовой пирометрии, совмещенных в КИО. На рис 7 представлены фотографии сплэтов частиц на подложках из нержавеющей стали (температура подложки варьировалась от 474 до 491 К) Измеренные параметры частиц были следующими: 1 скорость и„-108 м/с, цветовая температура с учетом инструмент алыгой погрешности 7,f í ?=2060±165 К, радиус частицы, рассчитанный по Tü2, Rp- 35,8 мкм, радиус частицы по рассеянному лазерному излучению 22,9 мкм, температура с учетом R^,, rsca-=2275 К; 2 - ир=116 м/с, 7;,.,-2068+165 К, R¡r42,8 мкм, /í,ca-25,3 мкм, Т^г2325 К; 3 - «„=148 м/с, 7W/=2211+177 К, R¡r26,0 мкм, Дла-~27,8 мкм, гс., 2!75 К; 4 - «/-134,7 м/с, Гг/2-2691+215 К, Я;;"20,4 мкм, 10,2 мкм, 7^=3325 К. В и дно, что размер частицы, определенный по амплитуде пирометрическо! о сигнала по се цветовой температуре существенно зависит от точности определения температуры и является систематически завышенным. Сравнение результатов измерения температуры одиночных частиц и фотографий, приведенных па рис.7, показывает, что частицы с номерами 1, 2 перед ударом о подложку имели температуры, близкие к температуре плавления материала А120з, а частицы 3 и 4 превышали ее.

В разделе 3.2 проанализированы ггульсационттые характеристики электрической дуги плазмотрона с межэлектродчой вставкой мощностью 50 кВт, применяемого в данной работе. За исключением гармоники, отвечающей собственным пульсациям тока источника, пульсации напряжения, вызванные аксиальными перемещениями дуги, малы по величине, что характерно для всех режимов работы плазмотрона и обеспечивало стабильное истечение плазменных струй в экспериментах.

В разделе 3.3.1 изложены основы тестируемой двухстадийной модели равновесного растекания и затвердевания микрокапли оксида металла при соударении с подложкой [2] В модели учитывается, что в условиях ГТН характерные значения чисел Рей-польдса и Вебера достаточно велики Ле - Орир0/у1£ >100, АУе = р(^Ори'рЬ /<т*£ > 100, где

уУт ~ кинематическая вязкосп, расплава при температуре Трт плавления материала частицы; • ~ плотность и коэффициент поверхност но1 о натяжения расплава.

На основе полученных экспериментальных модельных данных показано их хорошее согласие с расчеттю-теоретическими параметрами стабильно растекшихся и затвердевших капель без введения какого-либо поправочного коэффициента. Сравнивались значения КФП взаимодействия капель расплава А12Оз с подложками из нержавеющей стали и кремния и фотографии сплэтов, полученных с помощью оптического и сканирующего электронного микроскопов. Разброс соответствующих значений теоретически предсказанных и экспериментально измеренных диаметров сплэтов, а также факторов растекания - в пределах 15%. Температура частицы А]20< оценивалась методом двухнветовой пирометрии, а се диаметр по цветовой температуре.

В том же разделе изложены результаты тестирования модели процессов растекания и затвердевания микрочастиц порошка диоксида циркония, стабилизированного окисью иттрия марка порошка-№204, производитель -фирш«!Зи12ЕгМе(с№>. США. По-

рошок был предварительно рассеян на ситах для получения узких фракций с размером частиц 45-50, 50-56, 56-63, 63-71. 71-80, 80-90 и 90-100 мкм. Морфолошя сплэтов исследовалась с помощью сканирующих электронных микроскопов Н1ТАСШ 8-4700 и ЬЬ0420 (Цейс, Германия), лазерного сканирующего микроскопа ОЬ8 1100, 5Н1МА1ЭШ ОЬУМРИЗ, а также профи тографа 8Н1МАОШ ОЬУМРСЯ Казака Ыхгакяу Ш. Температура частицы ТРо определялась методом грехцветовой пирометрии, считая частицу «серым» излучателем, а температура подложки Т№ - с помощью термонары. Образование регулярных сплэтов обычно наблюдалось при температурах подложек Г/Л>475 К. Тщательная обработка полученных данных позволила подучить среднее значение толщин сплэтов, которые совместно с их диаметрами, измеренными с помощью НГГАСН1&4700В, были использованы для оценки объема сплэтов в предположении цилиндричности их формы. На рис.8 представлены фотографии четырех сплэтов УЯ7, с рс/улярной структурой на полированных подложках: 1,2 - из нержавеющей стали; 3,4 - на полированном подслое СоМОАГУ. предваршельно напыленном в условиях .динамического вакуума на подложки из N1 сплава Рассчитанные с учетом баланса массы до их соударения с подложкой. размеры Д, капель расплава использовались для оценки толщин и диаметров отобранных сплэтов. Из представленных на рис.9 результатов сравнения видно, что имеет место достаточно хорошее согласие между опытными и теорешчсскими данными.

В разделе представлены результаты впервые проведенного цикла модельных экспериментов при полном контроле КФП для изучения возможных сценариев формирования сплэтов при соударении полых частиц порошка с полированными подложками из нержавеющей стали и кварца. В качестве исходного был использован порошок, состоящий полностью из полых частиц УН'/., сферойдизированный в плазменной струе.

При использовании такого порошка для плазмстгаого напыления, представляет интерес оценка характерного диаметра внутренних сферических полостей в частицах YSZ [21. Для этого была определена масса частиц порошка, помещенных в известный объем с учетом степени упаковки С, определяемой как отношение объема всех частиц к кошрольному объему, в котором они распределены. 0=0,74 соответствует максимальному заполнению контрольного объема. Эффективные значения диаметра, характеризующего частицы сфероидизиронанного порошка YSZ, состоящего из полых частиц, рассеянного на фракции 45-50, 56-63, 80-90 мкм при С--0,74, были рассчитаны из измерений распределений частиц по размерам, полученных с помощью прибора COULTER COUNTER ТА-П, и были равны 36,4; 56,6 и 76,6 мкм, соответственно. При пом эквивалентный диаметр частиц был равен 30,7, 44 и 54,7 мкм. Полученные данные позволяют оценить характерную толщину оболочки полых часгиц, полученных при сфероидизации порошка YSZ, которая составила 5-10 мкм.

В разделе отмечается, что при напылении полых частиц - баллонов (твердая оболочка - внутренняя газовая полость) гарантируется, что материал оболочки полностью расплавлен, а температура в ее сечении постоянна, что является существенным аргументом в пользу порошков из полых частиц. При измерении КФП, характеризующих такие частицы перед соударением с основой, температура поверхности близка к температуре частицы, что делает более корректной интерпретацию получаемых опытных данных.

В заключении сформулированы следующие основные научные результаты:

]. Разработана физико-математическая модель и программный комплекс виртуальной диагностической аппаратуры, обеспечивающие сквозное компьютерное моделирование лазерпо-оптических методов измерения скорости, температуры и размера одиночных частиц оксидов металлов в потоках плазмы. В модели скорость измерялась вре-мяпролетным методом; температура - с помощью пирометрии спектрального отношения и трехцветовой пирометрии в приближении "серого" тела; размер - по ее температуре, а также путем регистрации рассеянного на частице излучения лазера (для часгиц

А1А).

2. Использование указанных вычислительных средств, применительно к обработке в плазменной струе узких фракций порошка А^Оч, позволило получить локальные статистические распределения частиц по размеру, скорости, цветовым температурам, трехцветовой температуре в струе плазмы Наряду с тем, что получаемые оценки для трех температур дают дополнительную информацию о характере излучения частиц, метод трехцветовой пирометрии ири одинаковой методической ошибке имеет меньшую инструментальную погрешность в сравнении с двухцветопой пирометрией.

3. Создана автоматизированная физическая установка для исследования взаимодействия одиночных расплавленных часгиц с подложкой при полном контроле КФП, обеспечивающая применение перекрестных методов измерения размера часгиц AI2O3 по рассеянному и собственному излучению, а также метода трехцветовой пирометрии для измерения «эффективной» температуры частиц YSZ. Получен представит ельный набор одиночных сплэтов часгиц Ai/>( и YSZ, осажденных на полированные подложки (нержавеющая сталь, сплав CoNiCrAIY, кварц) при полном контроле КФП в условиях напыления в воздушной плазме. С помощью сканирующей электронной и лазерной микроскопии, а также профилометрии проведено изучение морфологии сплэтов, что позволило скорректировать размеры капель YSZ перед их соударе!шем с подложкой.

4. Сравнение теоретически предсказанных и экспериментально измеренных толщин и диаметров сплэтов, полученных при соударении плотных микрокапель оксидов металлов с полированными подложками показало их достаточно хорошее сошасие; подтверждена

работоспособность модели формирования сплэтов оксидов металлов. Впервые получены сплэты полых частиц YSZ в условиях ITH при полном контроле КФП. Показано, что степень растекания плотных частиц превосходит степень растекания полых, что наряду с другими факторами (однородность агрегатного состояния, равномерность прогрева, возможность управления пористостью получаемого покрытия) указывает на перспективность применения данного класса порошков в технологиях ГТН.

5. Сквозное моделирование метода чегырехцветовой пирометрии при диагностике частиц в плазменной струе показало, что данный метод обеспечивает статистически наиболее близкое значение температуры «несерых» частиц, обладая при этом достаточно приемлемым стандартным тройным разбросом, и позволяет при низком уровне шумов определять коэффициент наклона зависимости щ'Я).

Список цитируемой литературы:

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

2. Солонснко О.П. Теплофизическис основы формирования плазменных покрытий из порошков оксидов // Физическая мезомеханика. 2001. Т.4, № 6. С.45-56.

3. Домбровский Л.Л, Игнатьев М.Б. Учет иеизотермичносси частиц в расчете и при диагностике двухфазных струй, применяемых для напыления покрытий // ТВТ. 2001. Т 39, X» 1 С. 138-145.

4. Solonenko О.Р., Guselnikov S.M , Mikhalchenko A.A. Method for simultaneous measurement of single particles temperature, size and velocity vcctor mto a plastr.a flows // Proc. of 8Ш National Thermal Spray Conf., 11-15 September, 1995, Houston, USA, Pub. ASM Intern., Materials Park, OH, USA. P.163-168.

5. Свет Д.Я., Пырков Ю.Н., Плотниченко В.Г. Определение температуры и спектральной излу-чагелыюй способности всщсств. недоступных для непосредственного контакта // ДАН. 1998. Т. 361, №5. С.626-629.

6. Леонов А.С., Русин С.И. О решети обратной задачи определения температуры по спекгру теплового излучения нагретых тел // Теплофизика и аэромеханика. 2001. Т.8, №3. С.475-486.

7. Пшгчук В.Г1., Романов ШТ. Сечение поглощения сферических частиц произвольного размера с умеренным поглощением // Жури, прикл. спектроскопии. 1977. 'Г.27, №1. С. 109-114.

8. Домбровский Л.А. Приближенные соотношения для расчета основных радиационных характеристик сферических частиц в обласги рассеяния Ми //ТВТ. 1990. Т.28, №6. С. 1442-1445.

9. Бореи К., Хафмен Д. Коглощсиие и рассеяние света малыми частицами. М: Мир, 1986.660 с.

10. Михальченко А.А. Диагностика дисперсной компоненты п гетерогенных плазменных cip^-ях: Дне. канд. техн. наук. - Новосибирск: Ин-т геплофнч. СО РАН, 1494.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях-

1. Solonenko О.Р., Mikhalchenko А.А., Kartacv E.V. Computer-aided design and optimization of diagnostic apparatus for simultaneous in-flight measuring the single particle temperature, velocity vector and size based on its own radiation /7 Proc. of 3rd Asia-Pacific Conf. on Plasma Science and Technology, 15-17 July, 1996, Tokyo, Japan, University of Tokyo. P.241-247.

2. Solonenko O.P., Mikhalchenko A.A., Lyagushkin V.P. and Кariasv E.V. Method and apparatus for simultaneous in-flight measuring the vector of velocity, surface temperature and size of single particle in dust-laden plasma jets ,7 Proc. of 13tt Intern. Symp. on Plasma Chemistry, Aug. 18-22,1997, Beijing, China, Peking University Press. Vol. 3. P. 1486-1491.

3. Solonenko O.P., Mikhalchenko A.A., Lyagushkin V.P., Kartaev E.V. The method and the apparatus for measuring the velocity vcctor, surface temperature in dust-laden flows // Thermo-physics and Aeromechanics. 1998. Vol. 5, No. 4. P. 523-531.

4. Солоненко О.П., Михальченко A.A., Смирнов A.B., Зиновьев А.П., Неронов В.А., Карта-ев Е.В., Лягушкин В.П., Кузьмин В.И., Гаврилов В.А. Интеллектуальная плазменная ла-

боратория для изучения процессов сверхбыстрой закалки из жидкого состояния: состояние и перспективы // Материалы и технологии защишых покрытий / Под ред М В. Радченко. Барнаул: Изд-во АлгГТУ, 1998. С. 16-28

Solonenko О Р, Mikhalchenko A.A., Gavnlov V.A , Kartaev E.V. High-speed laser-optical computerized apparatus for complex studying a disperse component in dusty plasma flow / Proc. of 14th Intern. Symp. on Plasma Chemistry, Aug. 2-6, 1999. Prague, Czech Republic. 1999, Institute of Plasma Physics AS CR, Vol. 2. P. 439-444.

6. Solonenko О P , Mikhalchenko A A.. Kartaev E.A , and Gavrilov V A New possibilities for simultaneous m-flight measuring the velocity, temperature and size of disperse particles in plasma flows // Thermal Plasma Torches and Technologies. Vol. 2. Thermal Plasma and Allied Technologies Research and Developments / Ed. О P. Solonenko, Cambridge Intern Sci. PubL Cambridge, England, 2000. P. 41-56.

7. Solonenko О P., Golovm A.A., Shurina E.P , Mikhalchenko A.A., Smirnov A.V., Kartaev E V Peculiarities of ceramic splats formation under plasma spraying: Theory, computer simulation and physical experiment // Proc. of lsl Intern. Symp. on Advanced Fluid Information, 3-6 October 2001, Institute of Fluid Science, Tohoku University, Sendai, Japan. P.492-497.

8. Solonenko O.P., Mikhalchenko A.A, Smirnov A.V., Kartaev E.V. Experimental studying deposition of alumina splats under complete control key physical parameters I1 Proc. of 15th Intern. Symp. on Plasma Chemistry, 8-13 July 2001, Orleans, France, CNRS/University of Orleans, Vol. 6. P.2667-2672.

9. Solonenko O., Mikhalchenko A., Kartaev E.. Ogawa К , Shoji T. Model studying zirconia droplet deposition and solidification on substrate under plasma spraying- theory and experimental verification // Proc. of 5th JSME-KSME Fluids Engineering Conf, Nov. 17-21, 2002, Nagoya, Japan 6 p. (electronic publication, http://www.fiow human nagoya-u.ac jp/FEC5/)

10 Solonenko O., Mikhalchenko A , Kartaev E. Measuring velocity, surface temperature and size of single particle in plasma flow based on 3-color pyrometry // Proc of 5th JSMF-KSME Fluids Engineering Conference, November 17-21, 2002, Nagoya, Japan. 6 p. (electronic publication, http//www.flow.human.nagoya-u.ac.jp/FEC5/).

11. Солонепко О.П , Михальченко A.A., Картаев E.B., бондарь М.П., Огава К, Шоджи Т, Тайно М. Формирование сплтгов диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, при плазменном напылении термобарьеров // Физическая мезомеханика, 2003, Т 6, №2. С. 111-126.

12. Soionenko О., Mikhalchenko А , Kartaev E Comparison of two-color and three-color pyrometry for measuring velocity, surface temperature and size of single particle in plasma flow h Proc. of ! 6th Intern Symp. on Plasma Chemistry, June 22-27, 2003, Taormina, Italy. 6 p. (electronic publication, http://www.ispcl6.org).

13. Solonenko О , Mikhalchenko A., Kartaev E, Ogawa К . Shoji T. Model studying 7iTcoma droplet deposition and solidification on substrate under plasma spraying: theory and experimental verification // Proc. of 16th Intern. Symp on Plasma Chemistry, June 22-27, 2003, Taormina, Italy. 6 p. (electronic publication, http-//www. ispcl6.org).

14. Solonenko O., Mikhalchenko A., Kartaev E Analysis of capability of the polychromatic pyrometry method to measure temperature of single particle in high-temperature flow // Proc. of 1701 Intern. Symp. on Plasma Chemistry, August 7-12, 2005, Toronto, Canada. 6 p. (electronic publication, http• <'/w w w.ispc 17,org).

15 Solonenko O.P , Belashchenko V.E., Mikhalchenko A A., Kartaev E.V. Splat formation under YSZ hollow droplet impact onto substrate // Proc. of ITSC'05, May 2005, Basel, Switzerland. 6 p (electronic publication, http://www.dvs-ev.de/itsc2005/).

20 40

Рис. 1. Секторная мн01 ощелевая Рис. 2. Характерный вид пирометрическою сигнала диафрагма. в одном из спектральных диапазонов.

Рис. 3. Оптическая схема диагностического комплекса. РТ - плазмогрон, Ь„ Ьг, Ьз - линзы; Р - поворотная призма; 8Б - диафрагма; ПМ|, ОМг, 1")Мз - дихроичпые зеркала; М|, Мг - зеркала; Рь Рз, Р* - светофильтры; РЕМ>, РЕМ2, РБМз, РЕМ4 - ФЭУ: В1Б - дискриминатор; АОС -АЦП.

т,к

"'-1-'-Г^-1--'--1-г—I

2500 2650 2600 2660 27П0 2750

Рнс. 4. Фуикциональ.нак зависимость Д(д*,Т) при оптимальном значении д*. ШI ричоиая линия определяет величину дисперсии шума.

2320 2400 2480 2560 2640 2720 ММ 2380 2460 3040 температура, К

20 24 28 32 36 40 44 48 62 9060 64 размер, мкм

(а)

2СОТ 2*вС 2240 »20 ММ 2*60 26ВО 2М0 7720 2*00 28*0

температура, К

(б)

2240 2320 2400 2480 2560 2840 2720 23И 2880 2960 3040

температура, К

(в)

Рис. 5. Распределения часшд по темпера |у-рам: а, б - цветовых температур Тс;} и Тс\->\ в — распределение температуры частиц 7'^.

11 20 24 П 32 К 40 44 48 52 Я «0 84 88 72 7« 80 М

размер, мкм

(б)

12 1в 20 24 28 32 36 40 44 49 52 « 60 64 размер, мкм

Рис, 6. Распределения частиц по размеру, полученные по измеренным температурам: а, 6 по цветовым температурам Тсгг и Тси, в - по температуре Т3с.

(3) (4)

Рис. 7. Фотографии сплэтов (1)-(4) А^О}, полученные методом электронной микроскопии.

(3) (4)

Рис. 8. Фотографии сплэтов У87 с регулярной структурой на полированных подложках.

Я-*- т

□

[Ю

т

—I—1—I—1—I—'—I—'—I

100 199 200 290 Э00 350

(а)

Каю

,<з'в

□ ч

□

/Iя.ляр' т —I-'

(б)

Рис. 9. Сравнение между экспериментально измеренными и теоретически предсказанными диаметрами (а) и толщинами (б) регулярных сплэтов

Отве! С1 ненный за выпуск Е.В. Картаев

Подписано в печать 11.11.2005 Формат бумаги 60x 84/16, Усл. пен. л. 1.0, Уч.-изд. л. 1.0, Тираж 100 экз., Заказ №11

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

№246 13

РНБ Русский фонд

2006-4 25689

I

1

г

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ И ПРОБЛЕМЫ ДИАГНОСТИКИ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ В ПЛАЗМЕННЫХ СТРУЯХ

1.1. Анализ исследуемых процессов.

1.2. Обзор и сравнительный анализ методов измерения скорости, температуры и размера дисперсных частиц в потоках плазмы.

1.2.1. Методы измерения скорости частиц.

1.2.2. Методы измерения температуры частиц.

1.2.3. Методы измерения размера и счетной концентрации частиц.

1.3. Существующий уровень реализации диагностических комплексов для измерения основных параметров дисперсной компоненты, анализ погрешностей.

1.4. Выводы по обзору и постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. СКВОЗНОЕ КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИРТУАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОДИНОЧНЫХ ЧАСТИЦ В ЗАПЫЛЕННОМ ПОТОКЕ ПЛАЗМЫ

2.1. Метод и аппаратура для одновременного измерения вектора скорости, размера и температуры одиночных частиц.

2.1.1. Описание оптической схемы.

2.1.2. Обработка экспериментальных данных.

2.1.3. Методики тестирования и тарировки диагностической аппаратуры.

2.2. Физико-математическая модель виртуального диагностического комплекса.

2.3. Структура программного комплекса и физические основы моделирования.

2.4. Применение программного комплекса для анализа погрешностей измерения параметров частиц.

2.5. Применение программного комплекса для анализа возможностей полихроматической пирометрии для измерения параметров частиц.

2.6. Выводы по главе 2. щ

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ СПЛЭТОВ

ОКСИДА АЛЮМИНИЯ И ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ ПРИ ПЛАЗМЕННОМ ф НАПЫЛЕНИИ

3.1. Описание модельной физической установки.

3.2. Анализ интегральных и пульсационных характеристик электрической дуги плазмотрона с межэлектродной вставкой мощностью 50 кВт.

3.3. Комплексное исследование формирования сплэтов из компактных частиц металлических оксидов.

3.3.1.Теоретические основы растекания и затвердевания микрокапли оксида металла при соударении с подложкой. щ 3.3.2. Анализ и обобщение полученных экспериментальных данных. ф 3.4. Экспериментальное исследование формирования сплэтов из полых частиц диоксида циркония при плазменном напылении.

3.5. Выводы по главе 3.

Актуальность проблемы. Последнее десятилетие характеризуется растущим интересом к напылению покрытий из оксидов металлов (А1203, 2г02, ТЮ2, Сг203 и др.): термобарьерных, каталитических, электроизоляционных, износостойких и т.п. Это подтверждается большим числом публикаций и регулярностью конференций и симпозиумов, проводимых в данной области: например, Международных конференций по термическому напылению - Кобе, Япония, 1995; Ницца, Франция, 1998; Монреаль, Канада, 2000; Сингапур, 2001; Эссен, Германия, 2002; Флорида, США, 2003; Осака, Япония, 2004; Базель, Швейцария, 2005. Подчеркивается, что повышение качества и улучшение структуры напыляемых материалов во многом определяется степенью понимания гидродинамических и теплофизических процессов, происходящих при высокоскоростном соударении микрокапель тугоплавких оксидов с металлической подложкой или напыляемым покрытием.

Явление соударения капли металлического оксида лежит в основе многих технологий, таких как плазменное, высокочастотное, детонационное, газопламенное напыление, микрораспыление порошков, а также представляет большой интерес для физического материаловедения (изучение неравновесных диаграмм состояний различных систем при экстремальных воздействиях).

Характерные особенности данного явления - малые размеры частиц, возможность наличия температурного градиента внутри частиц, широкий диапазон скоростей и температур их взаимодействия с поверхностью при одновременном протекании процессов нестационарного сопряженного тепло- и массообмена и фазовых превращений и, как следствие, наличие многих факторов, существенно затрудняющих его экспериментальное исследование.

В этой связи, постановка комплексных исследований, обеспечивающих проведение по возможности полностью контролируемых модельных физических экспериментов, корректную интерпретацию получаемых опытных данных, а также прогнозирование на их основе более детальной картины указанного явления является актуальной проблемой. Ее решение во многом определяется возможностью постановки комплексных теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия «капля оксида металла - поверхность» при полном контроле ключевых физических параметров (КФП): скорости иро, размера Dp, температуры Тр0 частицы при ее соударении с подложкой, имеющей заданную температуру 7¿0 и состояние поверхности.

При плазменном напылении, включающем практически все характерные особенности технологий газотермического напыления (ГТН), покрытие формируется путем послойной укладки отдельных сплэтов, - растекшихся и затвердевших на подложке капель расплава [1]. При этом в отличие от капель металлических расплавов (число Прандтля Рг«1: низкая вязкость - высокая теплопроводность), для которых имеет место одностадийное формирование сплэта (идеальное инерционное растекание с одновременным затвердеванием расплава), для капель оксидов металлов (Рг> 1 : высокая вязкость - низкая теплопроводность) процесс формирования сплэта происходит в две стадии (потенциальное, а затем вязкое инерционное растекание) с одновременным затвердеванием.

Указанная проблема является объектом постоянных и интенсивных исследований также и в ряде исследовательских групп за рубежом: в Японии (Т. Yoshida, The University of Tokyo, Tokyo), США (R. Neiser, Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico; S. Sampath, State University of New York at Stony Brook, New York), Франции (P. Fauchais, University of Limoges, Laboratory of Ceramic Materials and Surface Treatment, CNRS), Германии (University of Dortmund, Institute of Materials Technology), Канаде (С. Moreau, National Research Council, Industrial Materials Institute).

Создание теоретических основ данного явления представляется актуальным для корректной интерпретации экспериментальных данных, способствует развитию физико-математических моделей нестационарного сопряженного кондуктивно-конвективного теплообмена и фазовых превращений при соударении микрокапель расплавов с поверхностью.

Следует отметить, что до появления наших публикаций в литературе отсутствовало какое-либо теоретическое решение, позволяющее прогнозировать формирование сплэта при Рг>1 с учетом теплофизических свойств материалов частица - основа и значений КФП. Кроме того, отсутствовали надежные экспериментальные данные, характеризующие формирование сплэтов при Рг>1 при одновременной регистрации КФП.

В работе [2] предложена физическая модель и получено приближенное аналитическое решение, описывающее равновесное затвердевание капли расплава, при ее растекании на твердой подложке при числе Прандтля Рг>1. Последнее, прежде всего, относится к оксидам металлов, широко используемых в практике ГТН. При этом считается, что процесс формирования сплэта состоит их двух стадий:

• напорного идеального растекания расплава над поверхностью квазистационарного вязкого слоя, вытесняемого движущимся от подложки фронтом затвердевания, завершающегося выходом вершины частицы на внешнюю границу вязкого слоя;

• последующего вязкого инерционного растекания сформировавшегося тонкого слоя расплава, завершающегося встречей движущегося фронта затвердевания со свободной поверхностью.

В связи с этим, представляется актуальным проведение цикла модельных экспериментальных исследований взаимодействия микрокапель металлических оксидов (окись алюминия, диоксид циркония) с поверхностью в условиях полного контроля КФП, с целью верификации полученного теоретического решения, а также тестирования известных в литературе зависимостей, характеризующих толщину сплэтов и степень деформации капель оксидов металлов.

Целью работы являлось: создание модельной автоматизированной плазменной установки для экспериментального исследования процессов формирования сплэтов тугоплавких материалов, широко применяемых в технологии напыления, в условиях полного контроля КФП (скорость, температура, размер микрокапли расплава перед ее соударением с подложкой; температура основы и состояние ее поверхности); развитие и практическая реализация нового метода одновременной высокоскоростной регистрации т-эйи температуры, скорости и размера одиночных частиц в запыленной плазменной струе, основанного на комбинации стандартной двухцветовой, а также трехцветовой пирометрии и времяпролетного метода; получение с помощью созданной экспериментальной установки представительного набора модельных сплэтов оксида алюминия и диоксида циркония, осажденных на полированные металлические подложки нержавеющая сталь; подслой CoNiCrAlY, напыленный в динамическом вакууме на подложки из никелевого сплава) при полном контроле КФП; экспериментальная верификация развитых теоретических основ формирования сплэтов.

Научная новизна. В работе впервые получены следующие научные результаты:

1. Создана модельная физическая установка, с помощью которой осуществляется ускорение, нагрев, плавление и выделение из плазменного потока одиночных частиц тугоплавких оксидных керамик (окись алюминия, диоксид циркония) с одновременным контролем температуры подложки.

2. Реализован быстродействующий диагностический комплекс для измерения скорости, температуры и размера одиночной частицы непосредственно перед ее соударением с поверхностью подложки, работающий в режиме on-line с персональным компьютером.

3. Для нахождения параметров нагретой в плазменной струе одиночной частицы впервые применена трехцветовая пирометрия в комбинации с времяпролетным методом и специально разработанной вычислительной процедуры, основанной на взаимном корреляционном анализе реального и модельного пирометрических сигналов в сочетании с процедурами оценивания характеристик по методу наименьших квадратов.

4. Предложенный диагностический комплекс позволил расширить возможности и повысить точность определения температуры частиц, что особенно актуально при измерении параметров частиц полупрозрачных материалов (AI2O3, Zr02 и др.), для которых вынос излучения происходит из всего объема частицы, а сами измерения могут проводиться в условиях значительного градиента температуры внутри частицы, вследствие низкой теплопроводности материала.

5. Получен набор экспериментальных сплэтов указанных оксидов, осажденных при полном контроле КФП на полированные металлические подложки (нержавеющая сталь; подслой CoNiCrAlY), а также подложки из кварца.

6. На основе полученных модельных опытных данных проведена верификация указанного выше теоретического решения, характеризующего толщину и диаметр сплэтов при Рг>1 в условиях их стабильного формирования. Показано, что данное решение хорошо согласуется с экспериментом без введения дополнительного эмпирического коэффициента и может быть использовано при теоретическом обобщении данных.

Практическая ценность.

Выполненный цикл комплексных исследований позволил впервые осуществить экспериментально-теоретическое доказательство одновременного протекания процессов деформации и затвердевания капель металлических оксидов при их соударении с подложкой в широком диапазоне режимных параметров.

Результаты экспериментов по взаимодействию капель оксидов металлов (А1203, Zr02) с подложками положены в основу создания атласа модельных сплэтов и могут использоваться при тестировании различных моделей явления, интерпретации данных материаловедческих экспериментов при изучении покрытий, а также при оптимизации конкретных технологий ГТН.

Полученные результаты представляются полезными для проектирования и оптимизации процесса напыления термобарьерных, каталитических и других покрытий из оксидов металлов на различные подложки. Кроме того, они стимулировали развитие комплексного подхода при численном моделировании конкретных технологических процессов плазменного напыления.

Автор защищает:

1. Модельную физическую установку, с помощью которой осуществляется ускорение, нагрев, плавление и выделение из плазменного потока одиночных частиц тугоплавких оксидных керамик (окись алюминия, диоксид циркония) с одновременным контролем температуры подложки.

2. Быстродействующий диагностический комплекс для измерения скорости, температуры и размера одиночной частицы по ее собственному, а также рассеянному лазерному излучению непосредственно перед соударением с поверхностью подложки, работающий в режиме on-line с персональным компьютером. Измерение КФП частицы основано на комбинации времяпролетного метода, цветовой, а также трехцветовой пирометрии в приближении «серого» тела, что позволяет проводить перекрестную проверку погрешностей указанных методов в широком диапазоне режимных параметров.

3. Модельные экспериментальные данные, полученные при полном контроле КФП, положенные в основу создания атласа модельных дискообразных сплэтов капель оксидов металлов при их стабильном растекании на полированных подложках из нержавеющей стали, сплава Со№СгА1У и кварца.

4. Экспериментальную верификацию теоретического решения двухстадийной модели стабильного растекания и затвердевания в системе «компактная капля металлического оксида - основа», проведенную на основе анализа и обобщения полученных модельных экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные положения работы представлялись на следующих конференциях и симпозиумах: 13, 14, 15, 16 и 17-ом Международных симпозиумах по плазмохимии (Пекин, Китай, 1997; Прага, Чешская республика, 1999; Орлеан, Франция, 2001; Таормина, Италия, 2003; Торонто, Канада, 2005), 3-м Международном рабочем совещании «Плазмотроны термической плазмы и технологии» (Новосибирск, 1997), 17-й Межреспубликанской конференции «Численные методы решения задач теории упругости и пластичности» (Новосибирск, 2001), Международной конференции по термическому напылению (Базель, Швейцария, 2005) и др.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 98-02-17810 на 1998-2000 гг.: «Цикл модельных исследований плазма - микрочастица и микрокапля расплава - поверхность: теория, совместный физический и вычислительный эксперимент»); Сибирского отделения РАН (междисциплинарные интеграционные проекты СО РАН на 1997-1999 гг., проект 28: «Физические процессы на границах раздела при получении гетерогенных материалов и покрытий»; на 2000-2002 гг., проект 45: «Разработка принципов мезомеханики и внутренних границ раздела и конструирование на их основе градиентных конструкционных материалов и многослойных тонкопленочных структур для электроники»; на 2003-2005 гг., проект 93: «Разработка принципов и технологий создания наноструктурных состояний в поверхностных слоях и на внутренних границах раздела высокоресурсных конструкционных и функциональных материалов»); Министерства высшего специального образования и РАН (Федеральная целевая программа «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы" (ФЦП «Интеграция»), Федеральная целевая научно-техническая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения» (подпрограмма «Новые материалы», раздел: «Компьютерное конструирование высокоресурсных градиентных металлокерамических и композиционных порошковых покрытий конструкционного и функционального назначения, получаемых методами плазменного напыления»)); а также в рамках международного научного сотрудничества между Институтом теоретической и прикладной механики СО РАН и Институтами разрушении и надежности материалов Тохоку университета (г. Сендай, Япония).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю работы -доктору технических наук, профессору О.П. Солоненко за большую помощь и постоянное внимание к работе, кандидату технических наук A.A. Михальченко за совместную работу и постоянное обсуждение ее результатов, кандидату физико-математических наук A.B. Смирнову за помощь и полезные замечания, Гаврилову В.А. за техническую поддержку при проведении экспериментов.

3.5. Выводы по главе 3

1. Создана модельная физическая установка для исследования взаимодействия одиночных расплавленных частиц с подложкой с применением перекрестных методов измерения размера частиц А1203 по рассеянному и собственному тепловому излучению. Проведена апробация метода трехцветовой пирометрии для измерения «эффективной» температуры одиночных частиц УЭг с целью учета их внутреннего градиента температур.

2. Проведено изучение частотных характеристик крупно- и мелкомасштабных пульсаций напряжения дуги плазмотрона с МЭВ, а также пульсаций его источника постоянного тока, влияющих на параметры дисперсных частиц в плазменной струе. С помощью быстрого преобразования Фурье показано, что спектр пульсаций напряжения практически содержит лишь гармоники, обусловленные пульсациями источника питания.

3. На основе разработанной установки получен представительный набор одиночных экспериментальных сплэтов частиц А1203 и УЭг, осажденных на металлические полированные подложки в условиях плазменного напыления в нормальной атмосфере при полном контроле КФП.

4. С помощью сканирующей электронной микроскопии, лазерной микроскопии и профилометрии проведено изучение морфологии отобранного множества регулярных сплэтов, на основе предположения о балансе масс произведена корректировка размера капель расплава перед их соударением с подложкой.

5. Сравнительный анализ предложенных в работе [143] теоретических основ растекания и затвердевания микрокапли оксида металла при соударении с подложкой и экспериментально измеренных толщин и диаметров сплэтов, полученных на полированных подложках, показал их хорошее согласие; тем самым показана применимость разработанной модели для описания процессов растекания и затвердевания сплэтов оксидных керамик на металлической основе.

Проведено напыление одиночных сплэтов на поверхность напыленного подслоя с целью изучения реальных условий формирования первого монослоя термобарьерного покрытия.

6. На основе оценок КФП, теплофизических и гидродинамических свойств расплава, а также диаметров сплэтов полых частиц, температуры и материала подложки, в рамках двухстадийного механизма растекания микрокапли керамики, предложенного в [143], проведен анализ степени растекания полых и компактных капель при формировании сплэтов в условиях газотермического напыления. Получено, что степень растекания компактных капель существенно превосходит аналогичный параметр, характеризующий полые частицы. Последнее, наряду с другими факторами - однородность агрегатного состояния и равномерность прогрева полых частиц порошка, возможность управления пористостью получаемого покрытия, указывает на предпочтительность применения порошков, состоящих из полых частиц, в технологиях газотермического напыления и необходимость дальнейшего развития теоретических моделей для компьютерного моделирования процессов, имеющих место при формировании сплэтов из полых частиц.

Заключение

Исходя из результатов проведенного цикла модельных экспериментов, сформулируем выводы, которые сводятся к следующему:

1. Исходя из анализа состояния и перспектив диагностики дисперсной компоненты в высокотемпературных струях, разработана физико-математическая модель и программный комплекс виртуальной диагностической аппаратуры, обеспечивающие сквозное компьютерное моделирование перекрестных лазерно-оптических методов измерения скорости, температуры и размера одиночных частиц оксидов металлов в запыленных потоках плазмы. Для измерения параметров одиночной частицы были использованы следующие методы: скорость - времяпролетный метод; температура - пирометрия спектрального отношения и трехцветовая пирометрия в приближении "серого" тела; размер - по ее температуре, а также путем регистрации рассеянного на частице излучения лазера (для частиц А1203).

2. Использование разработанных вычислительных средств, применительно к обработке в плазменной струе узких фракций порошка А120з, позволило получить локальные статистические распределения частиц по размеру, скорости, цветовым температурам, а также трехцветовой температуре в струе плазмы. Установлено, что наряду с тем, что получаемые оценки для трех температур дают дополнительную информацию о характере излучения частиц, метод трехцветовой пирометрии при одинаковой методической ошибке имеет меньшую инструментальную погрешность в сравнении с пирометрией спектрального отношения.

3. Создана автоматизированная физическая установка для исследования взаимодействия одиночных расплавленных частиц с подложкой при полном контроле КФП, обеспечивающая применение перекрестных методов измерения размера частиц А1203 по рассеянному и собственному тепловому излучению, а также использование метода трехцветовой пирометрии для измерения эффективной» температуры одиночных частиц диоксида циркония, что позволяет учесть внутренний градиент температуры.

С помощью созданной установки получен представительный набор одиночных сплэтов частиц А1203 и YSZ, осажденных на полированные подложки (нержавеющая сталь, сплав Со№СгА1У, кварц) при полном контроле КФП в условиях, характерных для плазменного напыления в воздушной атмосфере. С помощью сканирующей электронной и лазерной микроскопии, а также профилометрии проведено изучение морфологии сплэтов, что позволило провести корректировку размера капель диоксида циркония перед их соударением с подложкой.

Сравнение теоретически предсказанных и экспериментально измеренных толщин и диаметров сплэтов, полученных при соударении плотных микрокапель оксидов металлов с полированными подложками показало их достаточно хорошее согласие; тем самым подтверждена работоспособность предложенной модели формирования сплэтов оксидных керамик на металлической основе. Впервые получены сплэты полых частиц диоксида циркония в условиях газотермического напыления при полном контроле КФП. Показано, что степень растекания плотных частиц существенно превосходит аналогичный параметр, характеризующий полые частицы, что наряду с другими факторами (однородность агрегатного состояния, равномерность прогрева, возможность управления пористостью получаемого покрытия) указывает на перспективность применения данного класса порошков в технологиях ГТН.

Сквозное моделирование метода четырехцветовой пирометрии при диагностике частиц в плазменной струе показало, что данный метод обеспечивает статистически наиболее близкое значение температуры «несерых» частиц, обладая при этом достаточно приемлемым стандартным тройным разбросом и позволяет при низком уровне шумов определять коэффициент наклона зависимости е(Х).

1.. Жуков М.Ф., Солоненко О.П. Высокотемпературные запыленные струи в процессах обработки порошковых материалов.Новосибирск: Ин-т теплофизики СО АН СССР,1990.-515 с.

2. Кудинов В.В., Пекшев П.Ю., Белащенко В.Е., Солоненко О.П., Сафиулин В.А. Нанесение покрытий плазмой. М.: Наука, 1990. - 406 с.

3. Zhukov M.F., Solonenko О.Р. Joint physical and computational experiment and research problems of high-temperature dust-laden jets// ISPC-7, July 1985, Eindhoven, Holland.

4. Solonenko O.P. Complex investigation of the thermophysical processes in plasmajet spraying// Pure and Appl. Chem. 1990, Vol.62, No.9.-p. 1783-1800.

5. Высокоэнергетические процессы обработки материалов (Низкотемпературная плазма. Т. 18) /Солоненко О.П., Алхимов А.П., Марусин В.В. и др. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 2000. -425 с.

6. Solonenko, О.Р., Thermal Plasma Torches and Technologies, Vol.2. Thermal Plasma and Allied Technologies: Research and Development, Ed. by O.P. Solonenko, Cambridge International Science Publishing, Cambridge, England, 78-98 (2001).

7. Fauchais P., Vardelle A. Thermal plasmas//IEEE Trans.Plasma Sci., 1997, Vol.25, No.6. p.1258-1280.

8. Fauchais P., Vardelle A. Pending problems in thermal plasmas and actual development// Plasma Phys. Control Fusion, 2000, Vol.42. B365-B383.

9. Vardelle M., Fauchais P. Plasma spray processes: diagnostic and control?// Pure Appl. Chem., 1999, Vol.71, No.10. p. 1909-1918.

10. Fauchais P. Understanding plasma spraying // J. Phys. D: Appl. Phys., Vol.34, 2004. p.86-108.

11. Bisson J., Moreau C. Effect of DC plasma fluctuations on in-flight particle parameters Part II// Proc. of ITSC'02, March 2002, Essen, Germany.

12. Fincke J.R., Swank W.D., Bewley R.L., Haggard D.C., et al. Feedback control of Subsonic Plasma Spray Process: System Model// Proc. 8th National Thermal Spray Conf., 11-15 September, 1995, Houston, Texas, USA. p.l 17-122.

13. Fincke J.R., Swank W.D., Bewley R.L., Haggard D.C., et al. Diagnostics and control in the thermal spray process// Surface and Coatings Technology, 2001. p.537-543.

14. Жуков М.Ф., Лягушкин В.П., Солоненко О.П. Автоматизированный экспериментальный стенд для комплексного исследования высокотемпературных гетерогенных струй (состояние и перспективы). Новосибирск, 1986. 70 с. (Препринт/ИТФ СО АН СССР №145-86).

15. Кудинов В.В. Плазменные покрытия. М.: Наука, 1977. 183 с.

16. Обмен импульсом и теплом между частицами и плазменной струей при напылении/ Ж.Ф.Кудер, М.Вардель, А.Вардель, П.Фоше// Генерация потоков электродуговой плазмы. Новосибирск: Ин-т теплофизики, СО АН СССР, 1987.-с.397-427.

17. Boulos M.I. Visualization and Diagnostics of Thermal Plasma Flows// Journal of Visualization, 2001, Vol.4, No.l. p. 19-28.

18. Гольдфарб B.M. Некоторые новые возможности диагностики однофазных и двухфазных плазменных струй// Изв. СО АН СССР, 1979, No.3, С ер .техн. наук, Вып.1.-с.80-95.

19. Barrault M.R. The measurements of velocity in hot media// Pure and Appl. Chem., 1980, Vol.52.-p.l829-1835.

20. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С. Методы лазерной доплеровской анемометрии. М.: Наука, 1982.-303с.

21. Gouesbet G.A. A Review on Measurements of Particle Velocities and Diameters by Laser Techniques, with Emphasis on Thermal Plasmas // Plasma Chemistry and Plasma Processing, 1985, Vol.5, No.2.-p.91-l 17.

22. Tichenor D.A., et.al. Simultaneous in situ measurement of the size, temperature and velocity of particles in combustion enviroment// Sandia Report, January 1984, SAND 84-8628, UC-96.

23. Fincke J.R., Swank W.D., Jeffery C.L. Simultaneous measurement of particle size, velocity and temperature in thermal plasmas// IEEE Transactions on plasmato science. 1990, Vol.18, No.6.-p.948-957.

24. Fincke J.R., Swank W.D., Jeffery C.L., Mancuso C.A. Simultaneous• measurement of particle size, velocity, and temperature // Meas. Sci. Technol., 1993, Vol.4.-p.559-565.

25. Coulombe S., Boulos M.J. In-flight particles diagnostics in induction plasma processing // Plasma Chemistry and Plasma Processing, 1995, Vol.15, No.4.-p.653-674.

26. Solonenko O.P., Guselnikov S.M., Mikhalchenko A.A. Method for simultaneous measurement of single particles temperature, size and velocity vector into a plasma flows// Proc. of 8-th National Thermal Spray Conference, 11-15 September, 1995,

27. Houston, Texas, USA.-p.163-168.

28. Hoffman T.T. Real-Time Video Imaging for High-Luminosity Processes// Practice&Management, 1993, Vol.25, No.2. p.86-90.

29. Knight R., Smith R.W., Xiao Z., Hoffman T.T. Particle Velocity Measurements in HVOF and APS Systems// Thermal Spray Industrial Applications Conference Proc., ASM International, Materials Park, Ohio, USA, 1994. p.331-336.

30. Roman W.C., Winter M., Rotunno A.A. et al. Plasma spray gun particle distribution measurements using laser/2-D imaging techniques// Proc. of the 3-rd Thermal Spray Conference, 20-25 May, 1990, Long Beach, CA, USA. p.49-58.

31. Cedelle J., Vardelle M., Pateyron B., Fauchais P. Experimental investigation of the splashing processes at impact in plasma sprayed coating formation// Proc. of ITSC'04, May 2004, Osaka, Japan.

32. Ignatiev M., Senchenko V., Dozhdikov V., Smurov I., Bertrand P. Digital diagnostic system based on advanced CCD image sensor for thermal spraying monitoring// Proceed, of ITSC'02, March 2002, Essen, Germany.

33. Bertrand P., Smurov I., Ignatiev M. Low cost industrial type diagnostic system & for powder jet visualisation, particle-substrate interaction and coating growth // Proc.0 of ITSC'02, March 2002, Essen, Germany.

34. Malmberg S., Leung K., Heberlein J., Pfender E. Particle Trajectory Control for DC Plasma Spraying//Proc. of ITSC'95, 1995, Kobe, Japan, Vol.l.-p.371-375.

35. Old S., Gohda S., Furukubo K. Measurement of Spraying Particle Behaviors by High Speed Video Camera System// Proc. of ITSC'95, 1995, Kobe, Japan, Vol.l.-p.441-444.

36. Landes K.D., Streibl T.V., Zierhut J. Particle flux imaging (PFI) and particle ® shape imaging (PSI) two innovative diagnostics for thermal coating// Proc. of

37. Fauchais P., Vardelle M. How to improve the Reliability and Reproducibility of Plasma Sprayed Coatings// Thermal Spray 2003: Advancing the Science & Applying the Technology, ASM International, Materials Park, Ohio, USA, 2003.

38. Nylen P., Lemaitre J., Wigren J. Sensitivity Study of Four On-Line Diagnostic ^ Systems for Plasma Spraying// Thermal Spray 2003: Advancing the Science &

39. Applying the Technology, ASM International, Materials Park, Ohio, USA, 2003. ф 48. Durst F., Melling A., Whitelaw J.H. Principles and Practice of Laser Doppler Anemometry / 2-ed. London etc., New-York, 1980.

40. Алхимов А.П., Бойко Б.М., Папырин A.H. Развитие лазерио-доплеровских и стробоскопических анемометров для исследования быстропротекающих процессов// Автометрия, 1982, No.3.-c.21-27.

41. Forder P.W. A novel approach to laser doppler velocimetry and anemometry// J. Phys. E : Sci. Instrum., 1981, Vol.l4.-p.l014-1018.

42. Cetegen B.M., Yu W. In-Situ Particle Temperature, Velocity and Size Measurements in DC Arc Plasma Thermal Sprays// J. of Thermal Spray Techn.,1999, Vol.8, No. l.-p.57-67.

43. Zierhut J., Hartmann R., Landes K., Eritt U., Lugscheider E. Characterization of an atmospheric plasma spray system: numerical modeling and laser-doppler-anemometry of plasma flow field and particle distributions/ Proc.of 14-th Intern.

44. Symp. on Plasma Chem., August 2-6 1999, Prague, 1999, v.4, p.2149-2154.

45. Craig J.E., Parker R.A., Lee D.Y., Wakeman T. Particle Temperature and Velocity Measurements by Two-Wavelength Streak Imaging// Thermal Spray 2003: Advancing the Science & Applying the Technology, ASM International, Materials Park, Ohio, USA, 2003.

46. Fincke J.R., Haggard D.C., Swank W.D. Particle Temperature Measurements in the Thermal Spray Process // J. Of Thermal Spray Techn., 2001, Vol.10, No.2.-p.255w,q 266.

47. Kowalsky K.A., Marantz D.R., Neiser R., Smith M.F. Diagnostic behavior of the wire-arc-plasma spray process// Proc. of the Intern. Thermal Spray Conf., Florida, USA, 28 May-5 June, 1992.-p.337-342.

48. Smith M.F. Laser measurement of particle velocities in vacuum plasma spray deposition//1-st Plasma-Technik-Symposium, Lucerne/Switzerland, 18-20 May, 1988, p.77-85.

49. Steffens H.-D., Busse K.-H., Schneider M. Spray particle behavior in a low pressure plasma jet// Proc. of the Intern. Thermal Spray Conf., Montreal, Canada, September, 1986.-p.49-59.

50. Lyagushkin V.P., Solonenko O.P. A method to simultaneously measure the velocity and temperature of disperse particles in high temperature flows// Proc.7-th Intern. Symp. on Plasma Chemistry, Eindhoven, Netherlands, 1985, Vol.3.-p.730-735.

51. Михальченко А.А. Диагностика дисперсной компоненты в гетерогенных плазменных струях/Диссертация на соискание ученой степени кандидата техн. наук.- Новосибирск, Ин-т теплофизики СО РАН, 1994.

52. Смирнов А.В. Экспериментальное исследование взаимодействия капель металлических расплавов с основой// Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук.- Новосибирск, Ин-т теор. и прикл. механики СО РАН, 2000.

53. Fantassi S., Vardelle М., Vardelle A., Fauchais P. Influence of the Velocity of Plasma-Sprayed Particles on Splat Formation// J. of Thermal Spray Techn.,1993, Vol.2,No.4. -p.379-383.

54. Shinoda K., Yamada A., Koselci Т., Yoshida T. In situ measurement of sprayed ceramics particles and supercooling effects on splat morphology// Proc. of ITSC'04, May 2004, Osaka, Japan.

55. Moreau C., Gougeon P., Burgess A., Ross D. Characterization of particle flow in an axial injection plasma torch// Proc. of National Thermal Spray Conference, 11-15 September 1995, Houston, Texas, 1995.-p. 141-147.

56. Gougeon P., Moreau C., Richard F. On-line control of plasma sprayed particles in the aerospace industry// Proceed, of the 8-th National Thermal Spray Conference, 11-15 September 1995, Houston, Texas, 1995.-p.l49-155.

57. Coulombe S., Boulos M.J., Sakuta T. Simultaneous particle surface temperature and velocity measurements under plasma conditions// Meas. Sci. Technol., 1995,Vol.6.-p.383-390.

58. Schutz M., Barbezat G., Fluck E. Measurement technology for in-flight particle diagnosis in plasma spraying//Proc. of 15th Intern. Thermal Spray Conf., Nice, France, 25-29 May, 1998. p.761-766.

59. Fan X., Gitzhofer F., Boulos M. Investigation of Alumina Splats Formed in the Induction Plasma Process// J. of Thermal Spray Techn.,1998, Vol.7,No.2. -p.197-204.

60. Leblanc L., Moreau C. In-flight particle characteristics of plasma-sprayed densethyttria stabilized zirconia//Proc. of 15- Intern. Thermal Spray Conf., Nice, France, 2529 May, 1998. p.773-778.

61. Planche M.P., Bolot R., Landemarre O., Coddet C. Comparison between experimental and numerical results obtained on in-flight particles characteristics// Proc. of 15th Intern. Thermal Spray Conf., Nice, France, 25-29 May, 1998. p.355-360.

62. Branland N., Meillot E., Fauchais P., Vardelle A., Boulos M., Gitzhofer F., Drouin D., Magny P. Relationships between induction plasma spraying parameters and Ti02 particle characteristics at impact// Proc. of ISPC-16, 22-27 June 2003, Taormina, Italy.

63. Fischer A., Seeman K., Lugscheider E. Investigation of atmospheric spray process by inflight-particle pyrometry and thermography// Proc. of ITSC'02, March 2002, Essen, Germany.

64. Fauchais P., Baronnet J.M. State of the art of plasma chemical synthesis of homogeneous and heterogeneous product// Pure and Appl. Chem., 1980, Vol.52,-p.1669-1705.

65. Vardelle A. Measurements of the plasma and condensed particles parameters in a DC plasma jet// IEEE Trans, on Plasma Sci., 1980, Vol.4, No.4.-p.417-424.

66. Свет Д.Я. Пирометрия по собственному излучению веществ с изменяющейся излучательной способностью. В кн.: Объективные методы пирометрии излучения металлов/ Под.ред. Д.Я.Света. М.: Наука, 1976.-135с.

67. Свет Д.Я.Оптические методы измерения истинных температур. М.: Наука, 1982.-295с.

68. Jorgensen F.R.A., Zuiderwylc М. Two-colour pyrometer measurement of the temperature of individual combusting particles// J. Phys. E.: Sci. Instrum., 1985, Vol.18.-p.215-219.

69. Mishin J., Vardelle M., Lesinslci J., Fauchais P. Two-color pyrometer for the statistical measurement of the surface temperature of particles under thermal plasma conditions// J. Phys E: Sci. Instrum., 1987, Vol.20, -p.620-625.

70. Swank W.D., Finclce J.R., Haggard D.C. A particle temperature sensor for monitoring and control of the thermal spray process// Proceed, of the 8-th National Thermal Spray Conference, 11-15 September 1995, Houston, Texas, 1995 .-p. 111-116.

71. Mates S.P., Basak D., Biancaniello F.S., Ridder S.D., Geist J. Calibration of a Two-Color Imaging Pyrometer and Its Use for Particle Measurements in Controlled Air Plasma Spray Experiments// J. Thermal Spray Technol., 2002, Vol.11, No.2. -p.195-204.

72. Геда Я.М., Снопко B.H. Измерение температуры по распределению интенсивности в спектре излучения нагретого тела// ТВТ, 1981, т. 19, No.2.-c.381-385.

73. Coates Р.В. The least-squares approach to multi-wavelength pyrometry// High Temp.-High Press, 1988, Vol.20.-p.433-444.

74. Gardner J.L. Computer modeling of a multi-wavelength pyrometer for measuring true surface temperature// High Temp.-High Press., 1980, Vol.12, No.6.-p.699-706.

75. Снопко В.Н. Методы оптимальной полихроматической пирометрии// ТВТ, 1987, т.25, No.5.-c.980-986.

76. Khan М.А., Allemand Ch., Eagar T.W. Noncontact temperature measurement. 2.Least squares based techniques// Rev. Sci. Instrum., 1991, Vol.62, No.2.-p.403-409.

77. Fincke J.R., Jeffery C.L., Spjut R.E. Measurement of the emissivity of small particles at elevated temperatures// Optic. Engineering. 1988, Vol.27, No.8.-p.684-690.

78. Свет Д.Я., Пырков Ю.Н., Плотниченко В.Г. Определение температуры и спектральной излучательной способности веществ, недоступных для непосредственного контакта//ДАН, 1998, т.361, No.5. с.626-629.

79. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986.-660с.

80. Голобородько В.Т., Каштаньер В.Л., Шульман Е.С. Применение метода спектрального отношения для измерения температуры частиц// ТВТ, 1982, т.20, No.5.-c.958-962.

81. Пинчук В.П., Романов Н.П. Сечение поглощения сферических частиц произвольного размера с умеренным поглощением// ЖПС, 1977, т.27, No.l.-с.109-114.

82. Домбровский J1.A. Тепловое излучение сферической частицы из полупрозрачного материала// ТВТ, 1999, т.37, No.2.-c.284-293.

83. Домбровский JI.A. Приближенный расчет теплового излучения неизотермических полупрозрачных частиц// ТВТ, 2000, т.38, No.4.-c.686-688.

84. Домбровский J1.A, Игнатьев М.Б. Учет неизотермичности частиц в расчете и при диагностике двухфазных струй, применяемых для напыления покрытий// ТВТ, 2001, т.39, No.l.-c.l38-145.

85. Zhang Н., Xiong Н.В., Zheng L.L., Vaidya A., Li L. Partially Melted Particle and Its Splat Morphology// Thermal Spray 2003: Advancing the Science & Applying the Technology, ASM International, Materials Park, Ohio, USA, 2003.

86. Рубцов H.A., Аверков Е.И., Емельянов А.А. Свойства теплового излучения материалов в конденсированном состоянии. Новосибирск: Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1988.-349 с.

87. Dantec Measurement Technology A/S (1999): "Particle Dynamics Analyser, Installation & User's Guide", Publication no.: 9040U1101, A/S, P.O. Box 121, Tonsbakken 18, DK-2740 Skovlunde, Denmark.

88. Israel F., Taylor A.M.K.P., Whitelaw J.H. Simultaneous measurement of droplet velocity and size and flame mantle temperature by phase Doppler anemometry and two-color pyrometry//Meas. Sci. Technol., 1995, Vol.6.-p.727-741.

89. Fincke J.R., Swank W.D. Simultaneous measurement of Ni-Al particle size, velocity and temperature in atmospheric thermal plasmas/ZProc.of the Third National Thermal Spray Conf., Long Beach, CA, USA, 20-25 May, 1990.-p.39-43.

90. Holve D.J., Annen K.D. Optical particle counting, sizing and velocimetry using intensity deconvolution // Opt. Eng., 1984, Vol.23, No.5.-p.591-603.

91. Fincke J.R., Jeffery C.L., Englert S.B. In-flight measurement of particle size and temperature// J. Phys. E: Sci. Instrum., 1988, Vol.21.-p.367-370.

92. Goldberg I.L., Meculloch A.W. Annular aperture diffracted energy distribution for an extended source// Applied Optics, 1969, Vol.8, No.7.-p.1451-1458.

93. Joutsenoja Т., Hernberg R. Pyrometric sizing of high-temperature particle in flow reactors// Applied Optics, 1998, Vol.37, No.l6.-p.3487-3493.

94. Moreau C., Cielo P., Lamontague M., Dallaire S., Vardelle M. Impacting particle temperature monitoring during plasma spray deposition// Meas. Sci. Technol., 1990, Vol.l.-p.807-814.

95. Григорьев В.В. Одновременное измерение температуры поверхности и скорости одиночных частиц// ФГВ, 1990, №1, С.129-135.

96. Grigoryev V.V., Prokhorov Ye.S. Velocity and temperature of particles accelerated by gas detonation// Proc. of 10th Intern. Conf. on High Energy Rate Fabrication (HERF), Sept. 18-22, 1989, Ljubljana, Yugoslavia.-P.867-871.

97. Vaidya A., Streibl Т., Sampath S., Zhang H. A comparative analysis of Morphologically Different YSZ powders// Proc. of ITSC'04, May 2004, Osaka, Japan.

98. Doring J.-E., Marques J.-L., et al. The influence of plasma characteristics on particle properties during plasma-spraying of yttria stabilized zirconia using a Triplex torch// Proc. of ITSC'04, May 2004, Osaka, Japan.

99. Леонов А.С., Русин С.П. О решении обратной задачи определения температуры по спектру теплового излучения нагретых тел// Теплофизика и аэромеханика, 2001, т.8, №3, с.475-486.

100. J.A.Lock, G.Gousbet. Rigorous justification of the localized approximation to the beam-shape coefficients in generalized Lorenz-Mie theory. 1. On-axis beams// J. Opt. Soc. Am. A, 1994, Vol.1 l.-p.2503-2515.

101. J.A.Lock. Contribution of high-order rainbows to the scattering of a Gaussian laser beam by a spherical particle// J. Opt. Soc. Am. A., 1993, Vol.l0.-p.693-706.

102. Solonenko O.P., Mikchalchenko A.A., Kartaev E.V., Bondar' M.P., Ogawa K., Shoji Т., Tanno M. Theoretical Modeling and Experimental Study of Thermal Barrier Coatings// Materials Transactions, 2003, Vol.44,No. 11. -p.2311-2321.

103. Жуков М.Ф., Девятов Б.Н., Новиков О .Я. и др. Теория термической электродуговой плазмы. 4.2. Нестационарные процессы и радиационный теплообмен в термической плазме. Новосибирск: Наука, 1987.-285с.

104. Методы исследования плазмы/ Под.ред. В.Лохте-Хольтгревена. М.: Мир, 1971.- 552с.

105. Авилова И.В., Биберман Л.М., Воробьева B.C. и др. Оптические свойства горячего воздуха. М.: Наука, 1970.-345с.

106. Домбровский Л.А. Приближенные соотношения для расчета основных радиационных характеристик сферических частиц в области рассеяния Ми// ТВТ, 1990, т.28, No.6.-c.l442-1445.

107. Домбровский Л. А., Ивенских Н.Н. Излучение однородного плоскопараллельного слоя сферических частиц// ТВТ, 1973, т.11, No.4.-c.818-822.

108. Рубцов Н.А., Емельянов А.А., Пономарев Н.Н. Исследование показателя поглощения плавленой окиси алюминия при высоких температурах// ТВТ, 1984, т.22, No.2.-c.294-298.

109. Mularz E.J., Yuen M.C. An experimental investigation of radiative properties of aluminum oxide particles // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1972, Vol.12, No.ll.-p.1553-1568.

110. Бахир Л.П., Левашенко Г.И., Таманович B.B. Уточнение мнимой части комплексного показателя преломления жидкой окиси алюминия// ЖПС, 1977, т.26, No.3.-c.514-520.

111. G.Gouesbet, J.A.Lock. Rigorous justification of the localized approximation to the beam-chape coefficients in generalized Lorenz-Mie theory.2. Off-axis beams// J. Opt. Soc. Am. A., 1994, Vol.1 l.-p.2516-2525.

112. L.D.Davis. Theory of electromagnetic beams. Phys.Rev.A., 1979, 19, p.l 1771179.

113. J.A.Lock. Improved Gaussian beam-scattering algorithm// Appl. Opt., 1995, Vol.34, No.3.-p.559-570.

114. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Андреев А.Л., Полыциков Г.В. Источники и приемники излучения. Санкт-Петербург: Политехника, 1991.- 240с.

115. М.Гарбуни. Физика оптических явлений. М.: Энергия, 1967.-495с.

116. Ж.Макс. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. М.: Мир, 1983, т.1.-311с.

117. Таблицы по светорассеянию:Ч.2. Л.: Гидрометеоиздат, 1968.

118. Домбровский Л.А. О возможности определения дисперсного состава двухфазного потока по рассеянию света под малыми углами/ ТВТ, т.20, №3, 1982. с.549-557.

119. Шигапов А.Б. Оптические свойства окиси алюминия при высоких температурах/ ТВТ, т.36., №1, 1998. с.39-43.

120. O.P. Solonenko, A.A. Mikhalchenko, E.V. Kartaev, K. Ogawa and T. Shoji// Proc. of the 5th JSME-KSME Fluids Engineering Conf., 17-22 November 2002, Nagoya, Japan 6 p. (electronic publication).

121. Солоненко О.П. Теплофизические основы формирования плазменных покрытий из порошков оксидов, Физическая мезомеханика, 2001, Том 4, № 6. -С.45-56.

122. Генерация низкотемпературной плазмы и плазменные технологии: Проблемы и перспективы (Низкотемпературная плазма. Т.20) /Г.Ю. Даутов, А.Н. Тимошевский, Б.А. Урюков и др. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 2004. - 464 с.

123. Solonenko O.P., Mikhalchenko A.A., Lyagushkin V.P., Kartaev E.V. The method and the apparatus for measuring the velocity vector, surface temperature in dust-laden flows/ Thermophysics and Aeromechanics, 1998, Vol.5, No.4, p.523-531.

124. B.A. Неронов, Д.А. Сибриков. Препринт «Диоксид циркония: общие сведения, фазовые равновесия в системах Zr02 CaO, Zr02 - MgO, Zr02 - Y203, свойства». - Препринт, Новосибирск: ИТПМ СО РАН, 2002, 48 с.

125. Плазмотроны. Исследования. Проблемы. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1995.

126. Жуков М.Ф., Смоляков В.Я., Урюков Б.А. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны). М.: Наука, 1973.

127. Coudert J.F., Fauchais P. The influence of the arc fluctuations on the temperature measurements in DC plasma jets/ Thermal Plasma Applications in Materials and Metallurgical Processing, The Minerals, Metals & Materials Soc., 1992, p.75-83.

128. Leblanc L., Moreau C. Study on the Long-term Stability of Plasma Spraying// Proc. of ITSC'OO, May 2000, Montreal, Canada.

129. Vysohlid M., Heberlein J. Investigation of Arc Voltage Fluctuations in a Plasma Torch SG-100 operated with Ar/H2 // Proc. of ITSC'04, May 10-12, Osaka, Japan.

130. Solonenko O.P., Fundamental problems of plasma spraying, In coll.: Thermal Spray: International Advances in Coating Technology, Orlando, Florida, USA, ASM International, 1992.-P.787-792.

131. Solonenko O.P., Mikhalchenko A.A., Kartaev E.V., Splat formation under YSZ hollow droplet impact onto substrate// Proc. of ITSC'05, May 2005, Bazel, Switzerland 6 p. (electronic publication).

132. Roy, P., Bertrand, G. and Coddet, C.: Thermal Spray 2003: Advancing the Science & Applying the Technology, (Ed.) C. Moreau and B. Marple, ASM International, Materials Park, Ohio, USA (2003), pp. 1617-1623.

133. Madejski J., Solidification of droplets on a cold surface// J. Heat Mass Transfer, 1976, Vol.19. P.1009-1013.