Управление эрозионно-адгезионным переходом при ХГН тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Клинков Сергей Владимирович

Управление эрозионно-адгезионным переходом при ХГН

01.02.05 — механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 8 АПР ¿013

Новосибирск - 2013

005051911

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук

Научный консультант -

доктор физико-математических наук Косарев Владимир Федорович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация —

Архипов Владимир Афанасьевич,

доктор физико-математических наук, профессор

Воронецкий Андрей Владимирович,

доктор технических наук, профессор

Федоров Александр Владимирович,

доктор физико-математических наук, профессор.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН

Защита диссертации состоится " 2013 года в ^У часов

на заседании диссертационного совета Д003.035.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, ул. Институтская, д. 4/1, БКЗ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН

Автореферат разослан'

2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д.т.н

Засыпкин И. М.

Обшяя характеристика работы

Актуальность проблемы. Метод холодного газодинамического напыления (ХГН), развитый на основе обнаруженного в ИТПМ СО РАН явления эрозионно-адгезионного перехода при взаимодействии высокоскоростных гетерогенных потоков с преградой (первые результаты были оформлены в виде заявки на изобретение с приоритетом от 3.11.1983 г. [а.с. СССР № 1246638, 1986]), в настоящее время получил широкое распространение в России и за рубежом (в международных изданиях, публикуемых на английском языке, метод получил название Cold Spray). Отсутствие высоких температур позволяет значительно расширить возможности методов нанесения покрытий порошковыми материалами и обеспечивает ряд важных преимуществ метода ХГН перед известными газотермическими методами, включая:

- возможность использования для напыления порошков с размером менее 30-50 мкм, в том числе ультрадисперсных, что приводит к улучшению качества покрытия - увеличивается его плотность, уменьшается объем микропустот, структура становится более однородной, появляется возможность уменьшить толщину покрытия;

- отсутствие существенного нагрева частиц и связанных с ним процессов высокотемпературного окисления, фазовых переходов и т.д., что позволяет получать покрытия со свойствами, близкими к свойствам материала исходных частиц, а также композиционные покрытия из механической смеси порошков, значительно различающихся по физико-термическим свойствам;

- отсутствие значительного термического воздействия на изделие, что позволяет наносить покрытия на подложки из нетермостойких материалов;

- простота технической реализации и улучшение безопасности работ в связи с отсутствием высокотемпературных струй, а также огне- и взрывоопасных газов.

На основе метода ХГН создаются технологии для решения задач энерго- и ресурсосбережения в различных областях промышленности и вводятся в практику нетрадиционные и эффективные способы производства, ремонта, восстановления, антикоррозионной защиты, получения электро- и теплопроводящих, антифрикционных и других покрытий функциональных узлов и элементов самой различной техники и оборудования. Группа ученых (в том числе и автор представленной работы Клинков C.B.) под руководством академика Фомина В.М. за создание обобщенной теории взаимодействия высокоскоростных гетерогенных потоков с преградой, разработку технологий и оборудования для газодинамического напыления металлов, широкомасштабно используемых в мировой практике, отмечена премией Правительства РФ в 2010 г. Однако потенциал ХГН до конца не раскрыт, некоторые аспекты процесса требуют дальнейшего исследования с целью создания новых технологий, их оптимизации, а также более глубокого понимания физики высокоскоростного ударного взаимодействия гетерогенных потоков с преградами.

Возможность образования покрытий из частиц в твердом (нерасплавленном) состоянии оказалась неожиданной для специалистов, поскольку существовали представления о необходимости плавления (общего либо локального) для появления адгезии между частицей и поверхностью подложки и образования покрытия и о том, что при ударе нерасплавленной частицы упругая энергия вызовет отрыв и отскок частицы от преграды.

Данная работа посвящена изучению и обоснованию физических основ ХГН, а также исследованию различных вопросов, связанных с ним (газодинамические и теплофи-зические аспекты формирования сверхзвуковых двухфазных потоков, натекания их на преграду, движение и теплообмен микрочастиц, их высокоскоростное ударное взаимодействие с поверхностью преграды и т.д.)- Автор присоединился к исследованиям в 1993 году. К тому времени была разработана и создана экспериментальная база и были получены основные данные о влиянии скорости микрочастиц, включающие концепцию критических скоростей, о влиянии предварительной механической обработки поверхности, а также об автоактивации (наличию времени индукции или, по-другому, задержки напыления). Однако отсутствие приемлемой и доступной компьютерной техники не позволяло в полном объеме реализовать решение насущных на тот момент вопросов, связанных с моделированием адгезии, оптимизации сопловых узлов и т.д. Поэтому одной из задач было, помимо продолжения экспериментального изучения, создание приемлемых моделей для расчетов и проведение самих расчетов. В данной работе наряду с экспериментальными данными представлено достаточно много результатов численных расчетов. Следует отметить, что некоторые физические аспекты изучаемого явления не могут быть определены из экспериментов даже на сегодняшний день (например, температура частиц перед ударом), и поэтому численный расчет играет важную роль в установлении сущности происходящего.

Необходимо также отметить, что подавляющее большинство проведенных исследований были посвящены напылению однокомпонентных покрытий (чистый металл или сплав). Напыление многокомпонентных (смеси металлов, металлов и керамик) покрытий, представляющее большой интерес, требует решения новых задач, несвойственных для напыления однокомпонентных покрытий. В этом случае формируется высокоскоростной гетерогенный поток, несущий частицы разных материалов. Из-за различий в свойствах компоненты приобретают разные скорости и температуры. При ударе о поверхность подложки (покрытия) компоненты по разному воздействуют на нее, приводя к закреплению частиц, эрозии и/или активации поверхности. Кроме того, столкновения компонентов друг с другом в потоке могут приводить к изменению их состояния. Таким образом, результат взаимодействия многокомпонентного потока с преградой оказывается зависимым от компонентного состава и условий формирования гетерогенного потока. В данной работе подробно рассматриваются упомянутые эффекты и дается ряд практических рекомендаций применительно к ХГН, что отражено в пункте научная новизна.

Представленная работа является обобщением известных, а также полученных автором результатов по изучению возможности управления эрозионно-адгезионным переходом в условиях ХГН, что и определяет ее актуальность.

Связь с государственными программами и НИР. Работа по теме диссертации выполнена автором в ИТПМ СО РАН в соответствии с планами научно-исследовательских работ Института по теме «Динамика вязких жидкостей и газов. Исследование физических процессов в двухфазных потоках» (шифр 4.1.1. 10.1.8); по программе СО РАН «Механика, научные основы машиностроения и надежности машин»; в рамках Программы СО РАН «Научные основы конструирования новых материалов и создание перспективных технологий» (шифр 6.4.1. 10.2.6); Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов»; интеграционных проектов № 57 «Металлокомпо-зитные материалы»; № 45 «Физические процессы на границах раздела при получении гетерогенных материалов и покрытий»; № 93 «Разработка принципов и технологий соз-

дания наноструктурных состояний в поверхностных слоях и на внутренних границах раздела высокоресурсных конструкционных и функциональных материалов»; №90 «Научные основы создания многоуровневых наноструктурных покрытий и интерфейсов в гетерогенных материалах для работы в полях экстремальных внешних воздействий»; № 106 «Создание научных основ получения наноструктурных композиционных материалов нового поколения неравновесными методами, исследование функциональных свойств»; интеграционного проекта ИНТ АС-СО РАН «Direct Manufacturing by micro Cold Spray (DIMACS)»; заказного интеграционного проекта №12 «Синтез и ком-пактирование нано - и субмикроструктурированных керамических порошковых материалов различного функционального назначения. Прикладные аспекты применения»; грантов РФФИ №№03-02-16329, 05-07-90172, 06-08-003 02-а, 08-01-00108-а, 09-08-00543-а, молодежного проекта СО РАН 2006-2007 гг. «Изучение кинетики формирования и свойств металлокерамических покрытий при холодном газодинамическом напылении».

Цель работы. Экспериментальное и теоретическое исследование закономерностей и особенностей формирования сверхзвуковых двухфазных (газ + нерасплавленные микрочастицы металлов, сплавов, керамик и их смесей) потоков, их взаимодействия с преградой; высокоскоростного ударного адгезионного взаимодействия нерасплавленных микрочастиц с преградой и формирования покрытий; создание приемлемых моделей для расчетов и проведение самих расчетов, связанных с моделированием адгезии, оптимизацией сопловых узлов, кинетикой роста покрытий в том числе двухкомпонентных; разработка технологий и устройств с использованием метода ХГН.

Научная новизна

1. Впервые предложен и изучен способ создания многокомпонентных композиционных. (металл + металл, металл + керамика) покрытий в условиях ХГН за счет раздельного ввода компонентов в поток ускоряющего газа:

- изучены закономерности теплообмена между частицами и газом при движении в сверхзвуковом потоке и показано, что температура частиц перед ударом в большей степени зависит от положения их ввода в поток, чем скорость удара;

- показано, что при вводе частиц в сверхзвуковой поток их температура перед ударом существенно зависит от их начальной температуры;

- найден диапазон параметров (размер абразивных частиц менее dp~ 5 мкм при расходе более 0,05 г/с) частиц, при которых реализуется активация поверхности частиц металлического компонента при его движении в сопле за счет столкновений с частицами абразивного компонента.

2. Впервые изучена кинетика формирования покрытий в условиях ХГН (в том числе из двухкомпонентных смесей) с учетом влияния процессов эрозии и активации поверхности подложки (покрытия):

- предложен, обоснован и применен метод статистического моделирования ХГН для исследования адгезионного взаимодействия частиц с подложкой с учетом теплопроводности, с помощью которого объяснен известный эффект задержки напыления и показано, что при уменьшении размера частиц начиная с dp ~ 10 мкм критическая скорость частиц увеличивается, достигая максимальной величины iV~ 1250м/с при dp~ 1 мкм для хорошо теплопроводящих материалов (медь, алюминий) и при dp ~ 0,1 мкм для стали;

- показано, что влияние эрозии существенно только при скорости удара частиц сравнимой с критической и коэффициенте напыления kd < 0,05;

- объяснен эффект формирования слоя покрытия, толщина которого со временем напыления не растет, и предложен метод получения монослойных покрытий (когда сравнимы вероятности эрозии и закрепления);

- впервые в условиях ХГН обоснованы условия активации напыления металлического компонента за счет очистки поверхности подложки (покрытия) абразивным компонентом и на примере смеси медь + карбид кремния показано, что когда вероятность закрепления металлических частиц высока сама по себе (более 0,75), ак-тивационный эффект практически пропадает;

- впервые показана возможность активации напыления металлических частиц одного из компонентов в присутствии металлических частиц другого компонента (на примере смеси порошков алюминий-медь с раздельным вводом компонентов).

3. Предложены и исследованы новые форкамерно-сопловые узлы для расширения возможностей метода ХГН:

- для управления параметрами частиц двух и более компонентов за счет раздельного их ввода, возможности применения дозатора порошка открытого типа, а также для уменьшения воздействия порошка на критическое сечение сопла за счет применения сверхзвукового эжектора;

- для получения широких дорожек покрытий (до 100 мм) и для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность труб малого диаметра (до 50 - 60 мм) за счет изменения формы среза сопла, закрутки потока, а также их сочетания;

- для получения предельно узких дорожек покрытий (до 1 мм) и покрытий из на-нопорошков (с размером частиц ~ 0,1 мкм) за счет использования микросопел. Достоверность полученных результатов обоснована анализом методических

ошибок используемых диагностических систем, сравнительным анализом экспериментальных и расчетных данных, полученных различными известными и хорошо зарекомендовавшими себя методами, а также их сопоставлением с известными данными.

Практическая ценность работы состоит в возможности использования полученных результатов для создания технологий нового поколения для решения широкого круга научно-технических и производственных задач в области материаловедения, машиностроения, металлургии, электротехники, транспорта и т.д. В частности, результаты могут быть использованы для создания и усовершенствования физико-математической модели высокоскоростного ударного взаимодействия микрочастиц с преградой, а также при разработке новых технологических процессов нанесения покрытий. Практическая ценность работы подтверждается получением ряда российских и зарубежных патентов на способы и устройства, вытекающие из результатов работы.

Установки ХГН переданы в ряд организаций РФ (НМЗ им. А.Н. Кузьмина, Новосибирск; СибНИА, Новосибирск; НИИ ВТ Минречфлота РФ, Новосибирск; МАИ, Москва; ЗСМК, Новокузнецк; НИЦ "Антикор" МПС, Новосибирск; и др.) и за рубежом: Институт механики жидкостей DLR (Геттинген, Германия); Институт исследования металлов КАН (Шэньян, Китай); Институт авиационных материалов (Пекин, Китай); Международный исследовательский центр передовых технологий порошковой металлургии и новых материалов (Хайдарабад, Индия); Высшая инженерная школа (Сент-Этьенн, Франция) и др.

На защиту выносятся результаты:

- Способ создания многокомпонентных композиционных (металл + металл, металл + керамика) покрытий в условиях ХГН за счет раздельного ввода компонентов в поток ускоряющего газа.

- Результаты изучения теплообмена между частицами и газом при движении в сверхзвуковом потоке в зависимости от места ввода и начальной температуры частиц в типичных для ХГН условиях.

- Результаты расчетов вероятности столкновений напыляемых частиц с частицами абразивного компонента при их движении в сопле, приводящих к активации поверхности частиц металлического компонента в условиях ХГН.

- Метод и результаты статистического моделирования ХГН для исследования адгезионного взаимодействия частиц с подложкой с учетом теплопроводности.

- Модель формирования однокомпонентного ХГН покрытия с учетом эрозии и метод получения тонких покрытий (в том числе многокомпонентных).

- Модель формирования многокомпонентного ХГН покрытия с учетом эрозии и активации напыления металлического компонента за счет очистки поверхности подложки (покрытия) абразивным компонентом.

- Метод активации напыления металлических частиц одного из компонентов в присутствии металлических частиц другого компонента (на примере смеси порошков алюминий-медь с раздельным вводом компонентов).

- Результаты разработки и исследования новых форкамерно-сопловых узлов для расширения возможностей метода ХГН (сверхзвуковое эжекторное сопло, микросопло, сопло с профилированной формой среза, закруткой потока, а также их сочетания).

Личный вклад. При непосредственном участии автора ставились задачи, выбирались методики и проводились экспериментальные и теоретические исследования формирования сверхзвуковых двухфазных потоков и их взаимодействия с преградой в условиях ХГН, обсуждались результаты, подготавливались печатные работы и доклады на конференциях. Результаты совместных работ представлены с согласия соавторов.

Апробация работы. Результаты работы представлялись на международных конференциях «Пленки и покрытия» (1998, 2001), «Методы аэрофизических исследований» (ICMAR 1998, 2000, 2004, 2007, 2008, 2010, 2012), International Thermal Spray Conference (1999, 2001, 2002, 2003, 2005, 2006, 2008), «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании» (2006), «Mechanochemistry and Mechanical Alloying» (2006), Powder Metallurgy World Congress (2006), Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (2001, 2006), Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО 2007» и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 33 работы, 8 патентов, список основных приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 196 наименований, содержит 290 страниц, в том числе 181 рисунок и 31 таблицу.

Содержание работы

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

Первая глава посвящена особенностям формирования сверхзвуковых двухфазных течений (газ + нерасплавленные микрочастицы) в условиях ХГН, в частности, с помощью сверхзвуковых сопел прямоугольного сечения большого удлинения, которые наряду с коническими и профилированными осесимметричными соплами нашли широкое применение. Представлены измеренные и рассчитанные данные по теплообмену струи с преградой, скорости и температуре частиц в момент удара, а также результаты оптимизации сопла по скорости частиц. Следует отметить результаты экспериментальной и теоретической работы, посвященной применению эжекторов в условиях ХГН, в том числе для получения многокомпонентных покрытий.

Опыт работ по ХГН показывает, что наиболее важную роль играет скорость удара частиц о подложку. При расчете этой скорости необходимо принимать во внимание (рис. 1) характер ввода частиц в поток, ускорение частиц в сопле и свободной струе, а также торможение частиц в сжатом слое газа (между головной ударной волной и поверхностью подложки).

их в свободной струе и торможения в сжатом слое.

1 - сверхзвуковая часть сопла, 2 - форкамера, 3 - трубка подачи газа, 4 - трубка ввода частиц в фор-камеру, 5 - участок свободной струи, 6 - головная ударная волна, 7 - сжатый слой,

8 - преграда.

Проведены измерения профилей числа Маха и температуры торможения, а также их продольное распределение с свободной струе и найдены подходящие аппроксимирующие функции. Соответствующие графики представлены в диссертации. Получены также профили распределения числа Маха и температуры торможения в пристенной струе. Наиболее существенным является знание распределения температуры торможения газа вдоль поверхности преграды, поскольку оно используется далее для расчета температуры поверхности преграды в пятне напыления. Определена толщина сжатого слоя в зависимости от параметров струи и дистанции. Измерен коэффициент теплообмена при натекании струи на преграду. Используя экспериментальные значения температуры торможения в пристенной струе и коэффициента теплообмена, рассчитывалось распределение температуры в подложке на основании совместного решения стационарного уравнения теплопроводности и закона сохранения тепла в установившемся случае. Проведенные вычисления показывают, что за счет перераспределения тепла внутри подложки температура поверхности в пятне напыления (для металлов) оказыва-

ется ниже температуры торможения натекающей струи. Данные расчета согласуются с данными эксперимента.

Одна из возможных эжекторных схем для формирования сверхзвуковых гетерогенных потоков в условиях ХГН представлена на рис. 2.

Рис. 2 Принципиальная схема сверхзвукового эжектора с центральным телом. 1 - сопло, 2 - форкамера, 3 - трубка подачи газа, 4 - центральное тело, 5 - трубка ввода частиц, 6 - дозатор порошка, 7- критическое сечение, 8 - сечение 9 - выходное сечение 53.

Известно, что увеличение площади сверхзвукового потока приводит к ускорению, а впрыск дополнительной порции газа - к торможению за счет увеличения расхода и к ускорению за счет уменьшения температуры торможения. Таким образом, поскольку в эжекторе подсос пассивного газа происходит в сверхзвуковой поток, поэтому тормозящее действие подсоса необходимо компенсировать увеличением сечения в месте соединения потоков.

Из уравнения сохранения импульса для цилиндрической камеры смешения и без учета сил трения о стенки можно получить для малых коэффициентов эжекции формулу, которая показывает влияние различных факторов на скорость в выходном сечении.

Здесь введены соответствующие коэффициенты скорости ^ и Я,, отношение температур торможения в = Г02 /Г01, рсг - критическое давление пассивного газа. Комплекс пе 4в дает простое соотношение между коэффициентом эжекции и отношением температур торможения. Индексы 1 и 2 соответствуют параметрам активного и пассивного потоков на входе в камеру смешения, 3 - выходным параметрам смеси.

В приложении к ХГН \ всегда больше единицы, а р3 всегда больше либо равно рсг. Из сказанного следует, что выражение в скобках в правой части (1) всегда положительно, таким образом, скорость смеси всегда меньше скорости активного сверхзвукового потока. Из уравнения (1) можно сделать кроме очевидных выводов, что с увеличением Л, и уменьшением nej скорость смеси возрастает, еще несколько выводов. Во-

первых, увеличение отношения площадей S3/S2 приводит к уменьшению скорости

б

I

(1)

смеси. Это противоречит традиционным представлениям о течении в сопле Лаваля. Объясняется же такое влияние площади увеличением подсоса, т.е. дополнительному впрыску расхода газа в сверхзвуковую часть течения. Во-вторых, увеличение длины камеры смешения приводит к увеличению ръ по сравнению с р„, и следовательно уменьшению скорости смеси.

Задача разработки эжекторного соплового узла применительно к ХГН обладает рядом отличий от традиционных задач, решаемых с помощью эжекторов. Отличия заключаются в следующем. Во-первых, для более простой интеграции новых узлов в традиционную инфраструктуру установок ХГН необходимо обеспечить работоспособность эжектора при заданных расходных параметрах (давление торможения основного газа на уровне 1,0 - 2,0 МПа, расход 0,5 - 2 м3/мин (по воздуху)). Эти параметры определяют размеры проходных сечений подводящих пневмоканалов, размеры соединительных элементов, требования по технике безопасности, мощность нагревателя газа и др. Во-вторых, расход эжектируемого газа должен обеспечивать достаточную загрузку основного потока газа порошком для сохранения производительности установки ХГН, независимо от применяемой схемы формирования сверхзвукового двухфазного потока. Отметим, что транспортные свойства эжектируемого газа оказываются на порядок ниже из-за более низкой плотности газа по сравнению с традиционной схемой. В-третьих, основное назначение эжекторного соплового узла применительно к ХГН заключается в ускорении частиц напыляемого материала. Поэтому одним из требований является наличие сверхзвукового высокоскоростного потока на выходе из эжекторного сопла при достаточной его длине.

Отмеченные задачи были успешно решены. Также были проведены измерения профилей давления и температуры газа при различных диаметрах и длинах камеры смешения. Подробно данные представлены в диссертации. В частности, показано, что выравнивание параметров газа по сечению сопла происходит на длине примерно 6-7 диаметров сопла, что и определяет минимальную длину сопла Были также определены величины давления и геометрические размеры, при которых реализуется сверхзвуковое истечение при типичной длине сопла 60 - 120 мм (10 - 20 диаметров), необходимой для ускорения частиц.

Покомпонентный прогрев и ускорение микрочастиц разных сортов можно реализовать в эжекторном сопле с двумя ступенями эжекции, представленном на рис. 3. Отметим, что в данном случае активным потоком для второй ступени является смесь, образованная в результате эжекции в первой ступени. Это отличается от более распространенной схемы двухступенчатой эжекции, когда активным потоком во второй ступени является газ из независимого источника.

Экспериментально изучена конфигурация, в которой первая ступень эжекции включает камеру смешения диаметром 6 мм и длиной 100 мм, и центральное конусообразное тело с каналом по оси диаметром 4 мм для подачи эжектируемого потока. Диаметр камеры смешения второй ступени 8 -10 мм переменной длины. В частности показано, что число Маха потока после второй ступени несколько меньше, чем после первой (1,8 против 2,2) за счет подмешивания дополнительного расхода воздуха с низким давлением торможения в соответствии с общей теорией эжектора.

Для измерения коэффициентов эжекции использовалась методика, основанная на измерении температуры торможения на выходе из эжектора с применением соотношения

Типичная величина коэффициента эжекции, способная обеспечить необходимый для напыления расход порошка, для каждой ступени оказывается в диапазоне 0,02-0,03 от массового расхода активного газа.

Проведены расчеты и измерения скорости частиц на выходе из сопел, применяемых при ХГН. Расчет течения газа в соплах Лаваля проводится на основании квазиодномерной теории пограничного слоя. Сравнение с экспериментальными данными показало хорошее совпадение. Расчет ускорения одиночных микрочастиц проводится с учетом только силы сопротивления:

Рис. 3 Схема сверхзвукового эжектора с двум ступенями эжекции. I - эжекция первой компоненты смеси; 2 - эжекция второй компоненты смеси; 3 - эжектирующий газ.

du„

масса частицы, Sp площадь

использовалась

"" р & 2

где и, ир скорости газа и частицы, р плотность газа, т миделевого сечения частицы. Для коэффициента сопротивления С, аппроксимация Хендерсона [1], достоинство которой заключается в учете режима свободномолекулярного обтекания, что существенно для очень мелких частиц (в том числе наночастиц).

Расчетные значения скорости частиц на срезе сопла Лаваля сравнивались с экспериментальными и представлены на рис. 4,а в виде зависимости отношения скоро-

сти частиц к скорости газа от безразмерного комплекса П = у—•

- = (l+0,85Q)"' =

Ро

^ рех

и..

1+0,85,

Ро

(2)

На рис. 4,6 представлены данные расчетов и экспериментов при ускорении частиц алюминия в эжекторном сопле. Расчеты проводились с использованием пакета Fluent. В данном случае сопловой узел состоял из сопла Лаваля с длиной сверхзвуковой части 50 мм (диаметр критического и выходного сечений 3 и 5,5 мм, соответственно) и эжекторной части постоянного сечения диаметром 6,5 мм и длиной 80 мм. Для составления безразмерного параметра il в качестве длины бралось расстояние от среза сопла до точки ввода частиц, т.е. 130 мм при вводе частиц в дозвуковую часть и 80 мм при вводе частиц в сверхзвуковую часть путем эжекции. При расчетах и экспериментах давление торможения было 2,0 МПа, температура торможения 500 и 700 К.

Рисунок 4,6 наглядно показывает, что данные расчетов и экспериментов при ускорении в эжекторных соплах также обобщаются в рамках введенных ранее безразмерных параметров. Более того, с достаточной для практических оценок точностью они могут быть аппроксимированы той же самой зависимостью. Несколько

и !и

1,0 ¡и

сРО О 0-, о

о i О 2 □ 3 ▼ 4

оо

Рис. 4 Обобщенная зависимость относительной скорости частиц на выходе из сверхзвукового сопла.

а - сопло прямоугольного сечения

Го = 300 К: / - ¿„ = 50 мм, />„ = 3,0 МПа, 2 - /.„ = 50 мм,

Ра = 1,5 МПа, 3 -Л„ = 1001ш,р„ = 3,0 МПа, 4 - Ь„ = 100 мм,

Ро = 1,5 МПа,5-¿„ = 100 мм,р„ = 2,0МПа, б-£„ = 150 мм,

ра = 3,0 МПа, 7 -¿„ = 150 мм,р0 = 1,0 МПа;

Т0 = 500 К: 8-¿„ = 50 мм, /?0 = 1,0 МПа, 9 - Ь = 100 мм,

Ра = 2,0 МПа, 10 - Ь„ = 150 мм, р0 = 3,0 МПа,

11-Ь„ = 100 мм,р0 = 3 МПа,

12 - Эксперимеьгг.

1-7-М, 8-11- Си

Ь - эжекторное сопло круглого сечения 1 - расчет при вводе частиц в дозвуковой части То = 500 К, 2 - расчет при вводе частиц в сверхзвуковой части Т0 = 500 К, 3 - расчет при вводе частиц в сверхзвуковой части Т0 = 700 К, 4 - расчет для экспериментальной фракции порошка, 5 - эксперимент, 6, 7 - аппроксимация.

лучшая аппроксимация может быть получена, если множитель 0,85 в выражении (2) заменить на 1 (эти две кривые (6) и (7) приведены на рис. 4,Ь).

Температура частицы рассчитывается по уравнению (3), где для N11 р используется эмпирическая аппроксимация (см., например, работу [2]):

= ~ТМр)' (3)

где Т, Тр — температура газа и частицы, рр - плотность частицы, сра — теплоемкость частицы, <1р - диаметр частицы, Я - теплопроводность газа, Мр - число Маха относительного движения газа и частицы.

За счет скольжения частиц оказывается, что их температура не равна ни температуре торможения, ни статической температуре потока газа на срезе сопла. Показано, что температура частиц в момент удара при типичных для ХГН условиях составляет 0,6 - 0,8 от температуры торможения газа.

Расчеты показывают, что для получения достаточно высокой скорости удара частиц о подложку необходимо не только выбрать сопло достаточной длины, но также снизить неблагоприятное тормозящее действие сжатого газа перед подложкой. Минимальный поперечный размер и длина сопла являются теми параметрами, варьируя которые можно получить наибольшую скорость частицы в момент удара. Проведенные оптимизационные расчеты подтвердили достаточно высокую эффективность использования сопел с размером критического сечения 2-3 мм и длиной 100 — 200 мм для ускорения частиц размером 5-30 мкм. Кроме того, показано, что, в общем случае, для успешного ускорения частиц заданной плотности и размера (в том числе наночастиц) необходимо подбирать индивидуальное сопло.

с d

Рис. 5 Зависимость от точки ввода в поток скорости (а) и температуры (Ъ) алюминиевых частиц (30 мкм, ро = 1,6 МПа, Т0 = 500 К), скорости (с) и температуры (d) медных частиц (30 мкм,/?о = 3 МПа, То = 900 К).

Одним из методов оптимизации получения многокомпонентных покрытий является раздельный ввод каждого компонента смеси в сопло в точке, наиболее подходящей для него. Далее на примере двухкомпонентной алюминий - медной смеси показаны возможности такого метода.

Данные расчета эволюции скорости и температуры компонентов (частицы алюминия и меди) при раздельном вводе представлены на рис. 5. Было выбрано осе-симметричное сопло с длиной сверхзвуковой части 115 мм диаметром критического и выходного сечений 3 и 6,5 мм соответственно. Дистанция напыления была 20 мм. Вычисления проводились на основе квазиодномерной модели движения газа и частиц.

Видно, что разгон частиц происходит преимущественно в сверхзвуковой части сопла (даже при вводе их в дозвуковой части) и, кроме того, изменение точки ввода в рассмотренных пределах приводит к изменению скорости частиц не более, чем на 15 %. Совершенно иначе положение ввода порошка влияет на температуру частиц. Видно, что частицы, введенные в дозвуковую область, имеют участок интенсивного прогрева в форкамере сопла, а частицы, введенные в сверхзвуковую область, не имеют такого участка, поэтому их температура оказывается значительно меньше.

Для реализации оптимального получения многокомпонентных покрытий могут также эффективно применяться эжекторные схемы формирования высокоскоростных гетерогенных потоков. На рис. 6 приведены данные расчетов (Fluent) скорости upw и

температуры Три перед ударом микрочастиц меди и алюминия при применении одноступенчатого эжекторного сопла. Оптимальные скорость и температура удара микрочастиц меди достигаются при вводе в дозвуковую область инъекцией, а микрочастиц алюминия при вводе в сверхзвуковую область за счет эжекции. Оптимальные параметры торможения ускоряющего газа (воздуха) были выбраны на основе предварительных опытов. I

а

эоо-1----,---;-;-, . ?

10 20 30 40 50

Рис. 6 Скорость (а) и температура (б) частиц меди (/) и алюминия (2) перед ударом в зависимости от размера частиц.

Ввод порошка меди в дозвуковую область инъекцией, ввод порошка алюминия в сверхзвуковую область эжекцией; Т0 = 673 К, р0 = 2 МПа

Экспериментально было установлено, что коэффициент напыления (около 0,5), микроструктура и микротвердость покрытий алюминия, полученных при вводе в сверхзвуковую область и при вводе в дозвуковую область, не имеют существенных отличий. При напылении алюминия с вводом его в дозвуковой части температура торможения воздуха была 500 К.

На примере смеси металлических порошков алюминий - медь с раздельным вводом компонентов наблюдался эффект активации напыления частиц одного из компонентов (медных) в присутсвии частиц другого компонента (алюминиевых). В условиях, когда частицы меди не закрепляются на поверхности (например, при недостаточной температуре торможения газа), если ввести частицы алюминия (в сверхзвуковую область потока путем эжекции), то наблюдается закрепление медных частиц. Объясняется это тем, что частицы меди при выбранных условиях газового потока могут закрепляться на поверхности, сформированной частицами алюминия, но не могут закрепляться на первоначальной поверхности или на поверхности сформированной ими самими. Условия же для частиц алюминия благоприятны для их закрепления на первоначальной поверхности, на поверхности из медных частиц и на поверхности, сформированной самими частицами алюминия. Таким образом, в присутсвии второго компонента становится возможным закрепление частиц первого компонента в условиях, когда сам по себе он не закрепляется.

На основе полученных данных логично предположить, что в случае эжекции порошка в сверхзвуковую область будет особенно эффективен предварительный нагрев порошка для управления температурой частиц перед ударом. Далее, на примере

Рис. 7 Эволюция температуры медных частиц (25 мкм) в зависимости от начальной температуры при вводе в дозвуковую (а) и сверхзвуковую (Ь) область потока. р0 = 3 МПа, То = 700 К.

частиц меди (25 мкм), вводимых в дозвуковую и сверхзвуковую области осесиммет-ричного сопла (длиной сверхзвуковой части 115 мм, диаметром критического и выходного сечений 3 и 6,5 мм, соответственно), приводятся результаты расчетов (рис. 7) температуры частиц в зависимости от их начальной температуры. Вычисления проводились на основе квазиодномерной модели движения газа и частиц. В качестве примера представлены данные для положения ввода в сверхзвуковой области при г,„= 40 мм. При других положениях точки ввода в сверхзвуковой области поведение температуры удара частицы качественно не меняется.

Видно, что предварительный прогрев порошка при вводе в дозвуковую область (рис. 7,а) слабо эффективен с точки зрения влияния на температуру удара частиц. При вводе порошка в сверхзвуковую область (рис. 7,Ь) предварительный прогрев порошка позволяет варьировать температуру удара частиц в значительно более широком диапазоне.

При определенных условиях в потоке могут происходить столкновения между частицами различных компонентов, которые могут приводить к активации поверхности частиц, например, вследствие очистки от оксидного слоя, если один из компонентов твердый (например, керамика). Такая поверхностная активация частиц в потоке может быть использована для оптимизации напыления. Для оценки вероятности столкновения компонентов в потоке внутри сопла были проведены численные расчеты. На примере смесей AI (диаметр частиц 30 mkm)+S1C и Си (30 mkm)+S1C (диаметр SiC варьировался в диапазоне 5 - 135 мкм) показано, что скорость относительного движения компонентов может достигать высоких значений (150 - 300 м/с). Макси-

мальная разность в скоростях характерна для смесей А1 + 51С (5 и 135 мкм) и Си + БЮ (5 мкм). При этом вероятность столкновения частиц А1 и Си с частицами БЮ диаметром 5 мкм практически равна единице.

Во второй главе отражены основные закономерности перехода от эрозии к напылению при высокоскоростном ударе микрочастиц о поверхность преграды. Представлены важнейшие результаты экспериментальных исследований, из которых следует, что при скорости удара, превышающей некоторую критическую, возможно образование интерметаллической связи на контактной границе частица - подложка. Приведены данные о степени деформации частиц в зависимости от определяющих параметров, позволяющие верифицировать моделирование удара.

Остановимся на моделировании закрепления одиночной частицы при ударе о слабодеформируемую полированную подложку. Это позволяет избавиться от многих «лишних» предположений, к каковым относится т.н. механическое закрепление, известное также под названием «якорный эффект».

Еще на ранних стадиях исследования ХГН была высказана гипотеза о возможности локального плавления материала (или материалов) на границе контакта, что позволяло, в свою очередь, предположить, что механизм закрепления при ХГН такой же, как и при газотермическом напылении. Проведем оценки возможности локального плавления при типичных условиях экспериментального наблюдения явления ХГН. В момент контакта сферической частицы с поверхностью подложки давление увеличивается до максимальной величины равной рри^с (типично 10-20ГПа), где с ~ скорость звука в материале частицы [3, 4]. Из анализа Т—р диаграмм ударного на-гружения алюминия и меди [5] следует, что достигаемый типичный уровень давлений при ударе частиц (10-20ГПа) оказывается намного ниже значения, необходимого для плавления (100 - 200 ГПа). Таким образом, на ударно-волновой стадии плавления материалов в контактной области не происходит.

Для оценки возможности плавления в контакте на стадии пластического деформирования следует рассмотреть задачу о генерации тепла и конкурирующем процессе - теплопроводности. Результаты расчетов по упрощенной одномерной модели показывают, что температура в контакте не обязательно достигает температуры плавления частицы в условиях ХГН. Однако, в некоторых случаях такое может иметь место, как, например, при ударе частиц размером более 40 мкм по стальной подложке при их ускорении гелием.

Отметим, что имеется небольшое число работ [6, 7], в которых моделирование удара проводится одновременно с учетом теплопроводности. В упомянутых работах выявлено, что при ударе медной частицы по стальной (316Ь) подложке со скоростью около 600 м/с температура в контакте достигает значения близкого температуре плавления только для крупных частиц (более 50 мкм), в то время как закрепление частиц наблюдается и при меньших скоростях и при меньших размерах. Это заставляет думать о существовании «холодного» механизма адгезии. Возможной причиной образования связей при «холодном» механизме является протекание топохимических реакций на границе контакта твердых тел, описание которого можно найти в литературе по газотермическому напылению (см., например, работы [8, 9, 10]).

При ударе холодной частицы (отметим, что характерная расчетная температура частиц может достигать 220 К при ускорении неподогретым гелием, в общем случае будем называть холодными частицы, находящиеся в нерасплавленном состоянии) с

одной стороны протекает процесс образования связей между контактирующими поверхностными атомами материалов частицы и преграды, а с другой стороны происходит аккумуляция упругой энергии во всем объеме частицы. Накопленная упругая энергия при разгрузке высвобождается в виде кинетической энергии отскока. Если накопленная упругая энергия превышает суммарную энергию адгезии, то частица отскочит. В противном случае она останется закрепленной на поверхности. Процесс образования связей носит статистический характер, поэтому целью предлагаемой (впервые она опубликована в работе [11]) модели является оценка вероятности закрепления частицы. Отметим, что представленный подход был также применен в более поздних работах [12, 13, 14], авторы которых заключают, что с его помощью удается объяснить наблюдаемые результаты экспериментов с частицами из сплава Л1-1281.

Для иллюстрации на рис. 8 представлено сравнение рассчитанного и экспериментального коэффициента напыления в зависимости от скорости удара для порошков алюминия с учетом функции распределения по размерам частиц.

Из результатов моделирования следует, что мелкие частицы (порядка 5 мкм и менее) также как и крупные (порядка 80 мкм и более) для закрепления должны иметь более высокие скорости удара, чем частицы среднего размера (20 - 40 мкм). Другими словами, существует определенный размер частиц, для которых скорость удара, необходимая для закрепления, минимальна.

В целом можно сказать, что построенная статистическая модель позволяет качественно объяснить явление ХГН при высокоскоростном ударе микрочастиц о преграду.

В третьей главе рассматриваются процессы, способствующие закреплению частиц при меньших скоростях удара, что и позволяет выделить их в отдельную группу.

При взаимодействии гетерогенного потока с преградой одновременно происходит как образование на ее поверхности покрытия, так и эрозионное разрушение преграды и уже напыленного слоя. В зависимости от скорости и размера частиц, материала частиц и преграды и т.д., тот или иной процесс превалирует. Таким образом, общий коэффициент изменения массы преграды (что фактически и измеряется в эксперименте) определяется как разность коэффициентов напыления и эрозии.

Для иллюстрации на рис. 9 показан вид зависимости от скорости коэффициента напыления с учетом эрозии, рассчитанного для случая взаимодействия алюминиевых частиц с медной преградой (рис. 9 Ь - увеличенное изображение кривых в области «р«.~ и„). Кривые 1, / '-только коэффициент напыления, кривые 2, 2' - только коэффициент эрозии, кривые 3, 3' - аппроксимация экспериментальных данных (сумма ко-

1,00-1 £

0,75-

0,50-

0,25-

—□— АСД-1

—о— АСД-4 ^Р

—А—АСД-1 (эксперимент)

0,00-¿-о А«^'"

-о -г

'Л

МО

□У

/

/

400 800 1200 и ,м/с 1600

Г"-

Рис. 8 Сравнение экспериментальных и расчетных величин коэффициента напыления алюминия от скорости удара частиц.

Рис. 9 Зависимость от скорости коэффициентов изменения массы покрытия (1, I1), эрозии (2,2') и массы преграды (3,З) при взаимодействии алюминиевых частиц с медной преградой.

а — общий вид, Ъ — вид в области перехода от эрозии к напылению. 1,2, 3- ускорение частиц смесью гелия с воздухом, 1', 2', 3'-нагретым воздухом. □ — экспериментальные данные при ускорении частиц смесью гелия с воздухом, ■ - нагретым воздухом.

эффициентов напыления и эрозии). Кривые 1, 2, 3 получены для случая ускорения частиц смесью гелия с воздухом, V, 2\ 3'- нагретым воздухом.

Из рис. 9 видно, что процесс эрозии существенен только при скорости частиц сравнимой с критической. С ростом скорости процесс напыления становится все более превалирующим и при значениях коэффициента напыления ~ 0,05 и более процесс эрозии практически не влияет на значения коэффициента напыления.

Отметим здесь, что детальное рассмотрение кинетики формирования покрытия с учетом эрозии позволяет объяснить наблюдаемое в экспериментах формирование тонкого несплошного слоя покрытия, толщина и сплошность которого при дальнейшем напылении не увеличиваются. На этой основе предложен метод получения предельно тонких покрытий.

С целью изучения воздействия температуры поверхности подложки Т„ на эрози-онно-адгезионный переход при высокоскоростном ударе микрочастиц были проведены экспериментальные исследования. Подложки из стали нагревались в электропечи, затем вводились в неподогретую двухфазную (воздух + частицы алюминия) сверхзвуковую струю и перемещались перпендикулярно оси струи со скоростью 1 см/с. Эксперименты показали, что при температуре подложки 600 - 700 К наблюдается закрепление одиночных частиц, и при более высоких температурах подложки образуется сплошное покрытие. Температура торможения воздуха, при которой начинается закрепление частиц алюминия на неподогреваемых подложках, составляет Т0 ~ 400 К.

Были проведены расчеты максимально достижимой в процессе удара температуры в контакте частица - подложка Тс в условиях эксперимента, соответсвующих эрозионно-адгезионному переходу. В качестве начальных значений температуры т и скорости V частиц брались величины, полученные расчетом при ускорении в сопле воздухом при соответствующей температуре торможения Та. Согласно расчетам (см. табл. 1) температура в контакте за время удара не достигает температуры плавления алюминия (930 К).

с1р, мкм Т0,К V, м/с тр„, к

20 300 415 240 600 635

400 470 315 300 645

50 300 370 275 600 660

400 410 325 300 685

Таким образом, увеличение температуры поверхности подложки приводит к уменьшению критической скорости эрозионно-адгезионного перехода при высокоскоростном ударе микрочастиц за счет увеличения температуры контакта.

При взаимодействии двухфазного потока с поверхностью преграды в определенном скоростном диапазоне эрозионно-адгезионному переходу предшествует акти-вационная стадия. В зависимости от скорости удара частиц каждая точка поверхности должна испытать определенное число ударов, необходимое для ее очистки и активации, после чего частицы смогут на ней закрепиться. Чем больше скорость удара частиц, тем меньше предварительных ударов необходимо. Когда скорость удара частиц превысит вторую критическую скорость, частицы могут закрепиться на подложке, минуя активационную стадию. Чтобы отличать такой вид активации от активации введением второго компонента (см. далее), будем называть ее автоактивацией. Автоактивация является одним из первых эффектов, обнаруженных на самых ранних стадиях изучения явления ХГН.

Эффект автоактивации может быть объяснен изменением состояния поверхности при ударах, которое описывается в рамках представленной в гл. 2 теории одним параметром - энергией активации. В условиях активационной стадии частицы соударяются с участками поверхности, имеющими различную энергию активации. По мере того, как увеличивается число ударов в точку поверхности, энергия активации уменьшается, что приводит к росту вероятности закрепления частицы в окрестности данной точки.

Для иллюстрации на рис. 10 показана расчетная зависимость времени индукции ti (время от начала экспозиции до начала закрепления частиц на поверхности) от скорости удара частиц в сравнении с экспериментальными данными. Хорошее совпадение между расчетными и экспери- ( с I ментальными данными является под- '' X тверждением того, что предложенная модель вполне адекватно описывает процесс автоактивации при ХГН.

Для коэффициента напыления можно получить следующую формулу: 0 т„ <

100-

50-

1 "V

™р > трас

(5)

Как видно, коэффициент напыления достигает своей предельной величины км при условии, что масса из-

О,, = 0,04 кг/(м с)

О

Расчет Эксперимент

О

д

500

700

800 и , м/с 900

Рис. 10 Зависимость времени индукции от скорости частиц.

расходованных частиц тр достаточно велика по сравнению с массой частиц, необходимых для активации поверхности т^. Учет этого обстоятельства позволяет проводить коррекцию измеряемого в различных условиях коэффициента напыления.

При определенных условиях добавка абразивных частиц к металлическому порошку способствует увеличению коэффициента напыления последнего, т.е. проявляет свои активационные свойства. Впервые это было обнаружено в условиях ХГН низкого давления -0,5 МПа [15]. В данной работе показано, что эффект проявляется при сравнительно высоких давлениях торможения (1,5 - 2,0 МПа) и низких температурах торможения (200 - 300°С), т.е. в условиях, когда ожидалось сильное проявление эрозионных свойств абразивных частиц.

Зависимость коэффициента напыления смесей порошков меди (ПМС-1, 4, = 30 мкм, дендрит) и карбида кремния {(¡р = 8, 14 и 40 мкм, ангуляр) от массового содержания карбида кремния детально исследовалась при ускорении частиц с помощью одноступенчатого эжектора. Подготовленная смесь напылялась на стальные подложки при относительной скорости перемещения 15 мм/с. Результаты измерений и теоретические кривые представлены на рис. 11.

Важно отметить, что остаточное содержание карбида кремния в покрытии оказывается невелико (около 5 % по массе) и практически не зависит от содержания в напыляемой смеси.

Наличие абразивных частиц с одной стороны увеличивает вероятность закрепления металлических частиц, а с другой стороны за счет разбавления уменьшает общее число металлических частиц в смеси. Кроме того, высокоскоростной удар керамических частиц может оказывать эрозионное воздействие.

Проделав необходимые выкладки для условий эксперимента, можно получить выражение для коэффициента напыления смеси.

К=Ц-с)[рс+(рса-рс)зса]-скт (4)

Рис. 11 Зависимость коэффициента напыления смесей Си+ЭЮ от массового содержания БЮ. / - Го = 550 К, ^ = 14 мкм, 2- Т0 = 550 К, с/р = 40 мкм, 3 - Т0 = 650 К, я', = 8 мкм, 4 - Т0 = 650 К, ¡¿р= 14 мкм, 5 - То = 650 К, <1р = 40 мкм, 6- Т0 = 750 К, ¿, = 8мкм, 7- 7"„ = 750К, о^Ммкм, 8 - То = 750 К, (1Р = 40 мкм, 9 - теоретические кривые

1 + / с #3

Здесь с - массовая доля абразивных частиц в исходной смеси, рс — вероятность закрепления частиц металла на неактивированной поверхности, рса - вероятность закрепления частиц металла на активированной поверхности, - доля площади активированной поверхности подложки (покрытия) при ударе абразивной частицы, отнесенная к площади миделевого сечения частицы абразива, к€ГС - коэффициент эрозии, сог - отношение произведения плотности и диаметра частицы абразива к металлу. Параметры рса и в общем случае зависят от параметров газового потока (т.е. скорости и температуры частиц при ударе), свойств материалов частиц и подложки, формы частиц и т.д.

Выражение для коэффициента напыления смеси (4) содержит два очевидных слагаемых (1 - с)рс - скт. Именно такая зависимость коэффициента напыления от концентрации характерна для смесей, когда активационный эффект слабо выражен. Это наблюдается, например, когда разница между вероятностью закрепления на активированной и неактивированной поверхности мала, что и приводит к простой линейной зависимости коэффициента напыления от концентрации абразивных частиц. Этот факт хорошо подтверждается экспериментами. Для упрощения при аппроксимации экспериментальных данных было принято кт= 0, что приемлемо, если эрозия невелика (как на рис. 11 при с ~ 1). Подбором соответствующих значений рса и можно получить аппроксимацию экспериментальных значений (см. рис. И): 1 - рса= 0,7, 6=0,6; 2 - р„= 0,7, £= 1; 3 - рео=0,8, £,= 0,7; 4 - р„ = 0,9, £=0,7; 5 - р„=0,85, £,= 0,7. Поскольку экспериментальные данные 6-8 (см. рис. 11) практически не отличаются, то могут быть описаны одной кривой, которая получена при условии р,а = рс= 0,83. В этом случае величина не играет никакой роли.

Несколько слов надо сказать о физическом механизме активации и автоактивации. Наиболее вероятно, что имеет место очистка поверхности от оксидной пленки, существенно препятствующей образованию связей. В рамках модели, представленной выше, удаление оксидных пленок понижает энергию активации, что приводит к увеличению вероятности закрепления частиц и снижению критической скорости. Влияние оксидных пленок на процесс ХГН (прежде всего на критическую скорость) хорошо показано, например, в работах [16, 17], где делается вывод, что именно их наличие определят по существу величину критической скорости.

Рис. 12 Изменение со временем соотношения между долями площадей поверхности подожки

и покрытия. 1 — доля первоначальной поверхности подложки, 2— доля активированной части поверхности подложки, 3 - доля неактивированной части поверхности покрытия, 4 - доля активированной части поверхности покрытия.

В этой же главе приводятся данные расчета кинетики роста покрытия с учетом активационного воздействия керамических частиц. Можно отметить, что в процессе напыления устанавливается динамическое равновесие между долей активированной поверхности покрытия и неактивированной. Наличие активированной доли способствует наращиванию покрытия.

На рис. 12 показаны данные расчета для условий одного из экспериментов. Видно, что активированная доля поверхности покрытия (кривая 4 на рис. 12) может достигать на стадии установления (/ > 0,2 - 0,4 с) существенной величины (близкой к единице) и тем самым способствовать быстрому формированию покрытия.

В четвертой главе представлены примеры создания технологических процессов на основе ХГН, а также некоторых решений, способствующих расширению возможностей применения ХГН на практике, и приведены для справки некоторые свойства получаемых методом ХГН покрытий.

В ИТПМ СО РАН разработаны технологический процесс и оборудование, позволяющие наносить на рабочую поверхность алюминиевого наконечника тонкий (0,05 - 0,2 мм) слой меди методом ХГН и тем самым устранить условия, способствующие возникновению электрохимической коррозии, и повысить надежность контакта. Испытания показали, что контактные соединения алюминиевых кабельных наконечников с покрытиями из меди, никеля и цинка соответствуют требованиям ГОСТ 10434.

Наноструктурные композиты Т1В2-Си перспективны для создания электроэро-зионностойких проводящих материалов, поскольку устойчивы к воздействию термического удара. Они представляют интерес для создания электродов высоковольтных переключателей, скользящих контактов и рельсов в электромагнитных ускорителях.

Метод получения наноструктурных композиционных материалов в форме порошка состава Т1В2-Си, разработанный в ИХТТМ СО РАН, - механохимический синтез в шаровых мельницах с проведением реакции СВС (в данном случае между титаном и бором). Частицы получаемого композиционного порошка Т1В2—Си размером около 10-40мкм представляют собой медную матрицу с вкраплениями диборида титана размером 50- 100 нм.

Для напыления использовался порошок с содержанием Т1В2 до 43 об. %. Для испытаний на подложках из литой меди были получены покрытия толщиной около 100 - 300 мкм. Микроструктурные исследования подтвердили, что в покрытии сохраняется заложенный в исходном порошке фазовый и наноструктурный состав. Исследования образцов подтвердили повышенную электроэрозионную стойкость (унесенная масса уменьшается, достигая величины в 4 - 5 раз меньшей, чем унесенная масса медного электрода без покрытия). Данный подход может быть рекомендован для получения методом ХГН композитных металл-керамических покрытий с высоким содержанием керамики (до 50 объ%).

Наиболее перспективным применением ХГН для получения антикоррозионных покрытий видится ремонт конструкций большого размера (например, мостов, автомобилей, гаражей и т.д.), в том числе по сварочным швам. Для этих целей создана установка ручного типа (разработки ИТПМ СО РАН и Обнинского центра порошкового напыления), а также установки стационарного типа для напыления внешней и внутренней поверхностей труб. Исследования коррозионной стойкости покрытий на стали показали, что хорошие защитные свойства обеспечивают покрытия, содержащие

Ш&л,,

а Ъ

Рис. 13 Фотографии струи, истекающей из сопла с углами среза = 30° с закруткой потока прир0 = 1,5 МПа (а) и 3,0 МПа (6).

Рис. 14 Образцы подложек с напылением. а — без закрутки потока, Ь - с закруткой.

алюминий (коррозия образцов с ними в 6 - 8 раз меньше, чем у стального образца без покрытия либо с покрытием из цинка).

В работе исследуется возможность применения для ХГН схемы формирования высокоскоростного двухфазного потока звуковым соплом с двумя симметрично расположенными щелями вблизи выхода и закруткой потока в форкамере. Интерес к такой схеме вызван возможностями получения широкой полосы напыления.

На рис. 13 в качестве примера представлены фотографии струй воздуха, истекающих из сопел с косыми срезами при закрутке потока. Исследования показали, что разлет частиц в таких струях близок к радиальному.

На рис. 14 показаны характерные формы пятен напыления медного порошка, полученные на неподвижной алюминиевой подложке. На рис. 14, а показан отпечаток, полученный с использованием сопла диаметром 3 мм с углом среза <аь,„= 15° без закрутки потока воздуха, на рис. 14,6 - с закруткой потока. Как видно, закрутка потока приводит к формированию более вытянутого пятна напыления. Но даже и без закрутки (см. рис. 14,а) данная геометрия сопла позволяет получать полосы напыления сравнимые по ширине с полосами, получаемыми при использовании сверхзвукового сопла прямоугольного сечения (около 20 мм).

На рис. 15,а приведены полученные в экспериментах данные по зависимости ширины полосы напыления (точнее тангенса угла напыления) от давления торможения и других параметров на одной обобщенной кривой, описываемой формулой

Ро

с = ехр tga;

Ро

. Параметры нормировки лежат в диапазоне 0,6 - 1,3 для тангенса и

0,5 -2,2 МПа для давления торможения воздуха. На рис. 15,6 представлена зависимость коэффициента напыления от давления торможения с той же обобщающей

а Ь

Рис. 15 Зависимость от давления в обобщенном виде тангенса угла напыления (а) и коэффициента напыления (Ъ).

а\ 1 - 4 - ¿„ = 3 мм, и, = 32, 7,5, 15, 30, 7,5/15°; 5, <¿, = 3 мм, я, = 16, £?.,„ = 7,5 и 15°; 7, « -¿„ = 3 мм, «, = 16, треугольный и прямоугольный пазы; 9, 10 - ¿1,, = 4 мм, л, = 24, = 7,5 и 15°; 11 — с1„ = 4 мм, и, = 24, о^, = 7,5°; 12 -с/„ = 4 мм, без закрутки, а^« = 7,5°; 13 - 16 - с!„ = 3 мм, без закрутки, Ос»/ = 7,5, 15, 30, 7,5/15°; (6): 1 - 4 - п, = 24, </„ = Змм, /-<%„, = 7.5; 2 - треугольные щели; 3-треугольные щели; 3 - прямоугольные щели; 5 - 9 - без закрутки, 5 - = 7.5, <1„ = 2 мм; 6-9 - треугольные щели, 6 - = 3 мм; 7 - о?„ = 3 мм; 8 - с/„ = 2 мм; 9 -Л,, = 4 мм; 7 — ¿„ = 80 мм; остальные — ¿„ = 40 мм.

функцией = ехр - — . В данном случае нормировке подвергалось только давление I Ро)

торможения (р'0 = 0,6 - 2,0 МПа).

Типичные размеры поперечного сечения сопел, используемых при ХГН, составляют 3-6 мм, что определяет пространственное разрешение. В целях увеличения пространственного разрешения может быть предложено применение микросопел с характерным поперечным размером 1 мм и менее.

Пространственное разрешение метода ХГН определяется размером поперечного | сечения сопла (типично 3-6 мм). Для увеличения пространственного разрешения было предложено использование микросопел с характерным поперечным размером 1 мм и менее. Преимущества такого подхода (по сравнению с известным методом масок) очевидны: снижение расхода газа, возможность использования гелия, возможность применения нанопорошков и т.д.

Используя звуковые микросопла (с диаметром каналов 150 - 500 мкм) и сверхзвуковое микросопло (с диаметром критического сечения 0,5 мм, диаметром выходного сечения 1 мм и длиной сверхзвуковой части 20 мм) и гелий в качестве ускоряющего газа, экспериментально показано, что могут быть получены алюминиевые и медные покрытия шириной около 1 мм.

Для расчетов скорости и температуры частиц при ускорении в микросоплах была построена одномерная модель, достоинство которой заключается в быстроте счета. Сравнение результатов, полученных различными расчетными методами, представлено на рис. 16.

Как видно из представленных данных разница между расчетами по трем различным моделям незначительна. Вследствие высокой инерционности различие в расчетных скоростях частиц пренебрежимо мало.

Были также проведены эксперименты по измерению скорости медных частиц (с1р = 0,51,5 мкм) методом ЛДИС при ускорении гелием с давлением торможения 1,0-2,0МПа в соплах с ¿/„ = 300 мкм 1„ = 10 - 18 мм. Сравнение расчетов по одномерной модели с экспериментальными результатами, позволяет считать, что результаты по простой модели получаются с точностью 10-15%.

Для примера на рис. 17 представлены результаты расчетов для алюминиевых частиц, ускоряемых в сверхзвуковом (диаметр критического сечения 0,5 мм, выходного 1 мм, длина 20 мм) и звуковом (диаметр 0,5 мм, длина 20 мм) микросоплах. Дистанция напыления была выбрана 5 мм, температура торможения рабочего газа (гелия) 300 К. Давление торможения было 2,0 МПа для сверхзвукового и 4,0 МПа для звукового микросопел. Видно, что скорость удара частиц в определенном диапазоне диаметров достигает критической скорости при ускорении как в сверхзвуковом сопле (менее ~20 мкм), так и в звуковом микросопле (менее ~10 мкм). Таким образом, впервые предложен, обоснован и применен метод ХГН для получения предельно узких дорожек покрытий с использованием микросопел.

0,002 0,003 0,004 z, м 0,005 Рис. 16 Сравнение результатов расчета скорости гелия и медных частиц dp= 1,0 мкм, полученных различными расчетными методами при ускорении в звуковом сопле с d„= 150 мкм. 1 и 4 - континуально-дискретная модель, 2 и 5 - Fluent, 3 и 6 - одномерная модель, 1-3 - скорость гелия, 4-6- скорость медных частиц.

Рис. 17 Скорость удара (/, 2) и температура удара (5, 4) алюминиевых частиц, ускоряемых звуковым {1,3) и сверхзвуковым (2, 4) микросоплами. Горизонтальная линия соответствует критической скорости удара.

Рис. 18 Результаты расчета скорости удара частиц меди различных размеров при ускорении гелием в сопле.

с1„ = 0,25 мм, ¿„=18 мм, р0 = 1 МПа.

Далее рассматривается проблема получения наноструктурированных покрытий из наноразмерных порошков с помощью микросопел. Для примера на рис. 18 показаны результаты расчетов при ускорении частиц в звуковом микросопле с диаметром

0.25.мм и длиной 18 мм при давлении торможения гелия 1 МПа (наиболее реальные практически условия). Как видно из рис. 18, высокие скорости удара (около 900 м/с) характерны для частиц размером 0,04 - 0,15 мкм.

Таким образом, впервые предложен и обоснован метод ХГН для получения покрытий из нанопорошков с характерным размером частиц около 0,1 мкм с помощью микросопел.

Основные результаты и выводы

1. Впервые предложен и изучен способ создания многокомпонентных композиционных (металл + металл, металл + керамика) покрытий в условиях ХГН за счет раздельного ввода компонентов в поток ускоряющего газа:

- изучены закономерности теплообмена между частицами и газом при движении в сверхзвуковом потоке и показано, что температура частиц перед ударом в большей степени зависит от положения их ввода в поток, чем скорость удара;

- показано, что при вводе частиц в сверхзвуковой поток их температура перед ударом существенно зависит от их начальной температуры;

- найден диапазон параметров частиц, при которых реализуется активация поверхности частиц металлического компонента при его движении в сопле за счет столкновений с частицами абразивного компонента.

2. Впервые изучена кинетика формирования покрытий в условиях ХГН (в том числе, из двухкомпонентных смесей) с учетом влияния процессов эрозии и активации поверхности подложки (покрытия):

- предложен, обоснован и применен метод статистического моделирования ХГН для исследования адгезионного взаимодействия частиц с подложкой с учетом теплопроводности, с помощью которого объяснен известный эффект задержки напыления и показано, что при уменьшении размера частиц начиная с с1р ~ 10 мкм критическая скорость частиц увеличивается, достигая максимальной величины и!т ~ 1250 м/с при с1р ~ 1 мкм для хорошо теплопроводящих материалов (медь, алюминий) и при <1Р~ 0,1 мкм для стали;

- показано, что влияние эрозии существенно только при скорости удара частиц сравнимой с критической и коэффициенте напыления ка < 0,05;

- объяснен эффект формирования тонкого слоя покрытия, толщина которого со временем напыления не растет, на основе которого предложен метод получения мо-нослойных покрытий;

- впервые в условиях ХГН обоснованы условия активации напыления металлического компонента за счет очистки поверхности подложки (покрытия) абразивным компонентом и на примере смеси медь + карбид кремния показано, что когда вероятность закрепления металлических частиц высока сама по себе, активационный эффект практически пропадает;

- впервые показана возможность активации напыления металлических частиц одного из компонентов в присутствии металлических частиц другого компонента (на примере смеси порошков алюминий-медь с раздельным вводом компонентов).

3. Предложены и исследованы новые форкамерно-сопловые узлы для расширения возможностей метода ХГН:

- для управления параметрами частиц двух и более компонентов за счет раздельного их ввода, возможности применения дозатора порошка открытого типа, а также для уменьшения воздействия порошка на критическое сечение сопла за счет применения сверхзвукового эжектора;

- для получения максимально широких дорожек покрытий (до 100 мм) и для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность труб малого диаметра (до 5060 мм) за счет изменения формы среза сопла, закрутки потока, а также их сочетания;

- для получения предельно узких дорожек покрытий (до 1 мм) и покрытий из нано-порошков (с размером частиц около 0,1 мкм) за счет использования микросопел.

Таким образом в результате проведенных исследований впервые предложен и изучен способ создания многокомпонентных композиционных (металл + металл, металл + керамика) покрытий в условиях ХГН за счет раздельного ввода компонентов в поток ускоряющего газа, изучена кинетика формирования покрытий в условиях ХГН (в том числе, из двухкомпонентных смесей) с учетом влияния процессов эрозии и активации поверхности подложки (покрытия), а также предложены и исследованы новые форкамерно-сопловые узлы для расширения возможностей метода ХГН.

Основное содержание диссертации отражено в работах:

1. Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Клинков C.B. и др. Металополимерные нанокомпозиты (получение, свойства, применение). Сер. Интеграционные проекты. Вып. 2 / Под ред. Н.З. Ляхова. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. 260 с.

2. Papyrin A., Kosarev V., Klinkov S., Alkhimov A., Fomin V. Cold Spray Technology. Amsterdam: Elsevier Science, 2007. 336 p.

3. Kosarev V.F., Klinkov S.V., Papyrin A.N. et al. The Cold Spray materials deposition process. Fundamentals and applications. Cambridge: Woodhead Publ. Ltd, 2007. 362 p.

4. Алхимов А.П., Клинков C.B., Косарев В.Ф., Фомин В.М. Холодное газодинамическое апыление. Теория и практика / Под. Ред. В.М. Фомина. М.: Физматлит, 2010. 536 с.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

14. Клинков С.В., Косарев В.Ф. Влияние активации поверхности на процесс газодинамического напыления // Физическая мезомеханика. 2003. Т. 6, № 3. С. 85 - 90.

15. Алхимов А.П., Алхимов О.А., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Лаврушин В.В. Газодинамическое напыление. Разработка технологии производства токопроводящих и коррозионно-стойких покрытий // Наука - производству. 2003. № 4 (60). С. 2 - 10.

16. Kosarev V.F., Klinkov S.V., Alkhimov А.Р. and PapyrinA.N. On Some Aspects of Gas Dynamic of the Cold Spray Process // J. of Thermal Spray Technology. 2003. Vol. 12, № 2. P. 265-281.

17. Алхимов А.П., Клинков C.B., Косарев В.Ф., Михатулин Д.С., Полежаев Ю.В. Гетерогенные технологии: газодинамические проблемы // Теплофизика и аэромеханика. 2004. Т. 11, №3. С. 449-461.

18. Klinkov S.V., Kosarev V.F., ReinM. Cold spray deposition: Significance of particle impact phenomena//Aerospace Science and Technology. 2005. Vol. 9. P. 582-591.

19. Алхимов А.П., Клинков C.B., Косарев В.Ф., Михатулин Д.С., Полежаев Ю.В. Гетерогенные технологии: проблемы взаимодействия частиц с преградой // Теплофизика и аэромеханика. 2005. Т. 12, № 3. С. 415-432.

20. Klinkov S.V., Kosarev V.F. Measurements of Cold Spray Deposition Efficiency // J. of Thermal Spray Technology. 2006. Vol. 15, № 3. P. 364-371.

21. Lomovsky O.I., Dudina D.V., Ulianitsky V.Yu., Zlobin S.B., Kosarev V.F., Klinkov S.V., Kor-chagin M.A., Know D.-H., JKim.-S., Know Y.-S. Cold and Detonation Spraying of TiB2-Cu Nanocomposites // Materials Science Forum. 2007. Vol. 534-536. P. 1371 - 1376.

22. Клинков C.B., Косарев В.Ф., Сова A.A. Исследование эжекторной схемы формирования гетерогенных сверхзвуковых потоков в условиях холодного газодинамического напыления // Теплофизика и аэромеханика. 2006. Т. 13, № 3. С. 387 - 397.

23. Kim J.S., К won Y.S., Lomovsky O.I., Dudina D.V., Kosarev V.F., Klinkov S.V., Kwon D.-H., Smurov I. Cold spraying of in situ produced TiBr-Cu nanocomposite powders // Composites Science and Technology, Vol. 67, Issues 11-12, September 2007, P. 2292 - 2296.

24. Lomovsky O.I., Dudina D.V., Ulianitsky V.Yu., Zlobin S.B., Kosarev V.F., Klinkov S.V., Kor-chagin M.A., Rozhkov I.A., Kwon D.-H., Kim J.-S., Kwon Y.-S. Formation of cold and detonation sprayed coatings from TiBr-Cu nanocomposite powders produced by mechanical milling // Chemistry for Sustainable Development. 2007. Vol. 15.P. 197-201.

25. Kosarev V.F., Klinkov S.V., Sova A.A. Recently patented facilities and applications in Cold Spray Engineering // Recent Patents on Engineering. 2007. Vol. 1, № 1. P. 35 - 42.

26. Kosarev V.F., Klinkov S.V., Sova A.A., Smurov I. Deposition of multicomponent coatings by Cold Spray //Surface and Coatings Technology. 2008. Vol. 202. P. 5858-5862.

27. Тушинский Л.И., Алхимов А.П., Клинков C.B., Косарев В.Ф., Плохое А.В., Мочали-наН.С., СидякинаЕ.С. Пористость и наноструктурные образования в покрытиях, нанесенных методом холодного газодинамического напыления. // Технология металлов. 2008. №3. С. 19-22.

28. Klinkov S.V., Kosarev V.F., Sova А.А., Smurov I., Calculation of particle parameters for cold spraying of metal-ceramic mixtures // J. of Thermal Spray Technology. 2009. Vol 18 № 5 - 6 P. 944-956.

29. Klinkov S.V., Kosarev V.F., Zaikovskii V.N. Influence of Flow Swirling and Exit Shape of Barrel Nozzle on Cold Spraying // J. of Thermal Spray Technology. 2011. Vol. 18, № 5-6. P. 944 - 956.

30. Klinkov S.V., Kosarev V.F. Cold Spraying Activation Using an Abrasive Admixture // J. of Thermal Spray Technology. 2012. Vol. 20. № 4. P. 837-844.

31. Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Клинков C.B., Сова А.А., Трубачеев Г.В., Зайковский В.Н. Формирование конических отрывных зон при натекании сверхзвуковой струи на преграду в условиях ХГН // Теплофизика и аэромеханика. 2012. Т. 19. № 2. С. 257- 263.

32. Sova A., Klinkov S., Kosarev V., Ryashin N., Smurov I. Preliminary study on deposition of aluminium and copper powder by cold spray micronozzle using helium // Surface and Coating Technology. URL: http://dx.doi.Org/10.1016/j.surfcoat.2012.09.036. (Available online 27 September 2012.)

33. Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Клинков C.B., Сова А.А. Влияние конической отрывной зоны на процесс холодного газодинамического напыления // ПМТФ. 2012. Т. 53. № 6.

34. Патент РФ № 2334827. Устройство газодинамического напыления порошковых материалов / Косарев В.Ф., Клинков С.В., Лаврушин В.В., Сова А.А. // БИПМ. 2008. № 27.

35. European Patent № 1 925 693 А2. Method and device for coating / Alkhimov A.P., Kosarev V.F., Klinkov S.V., Lavrushin V.V., SovaA.A., LagetB., BertrandP., Smurov I. // Eu-ropian Patent Bullitin. 2008. № 22.

36. Патент РФ № 2353705. Способ газодинамического напыления порошковых материалов и устройство для его реализации / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Клинков С.В., Лаврушин В.В., Сова А.А., Лаже Б., Бертран Ф., Смуров И. // БИПМ. 2009. № 12.

37. Патент РФ № 2396371. Способ газодинамического напыления порошковых материалов и устройство для его реализации (Варианты) / Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Клинков С.В., Меламед Б.М., Зайковский В.Н. // БИПМ. 2010. № 22.

38. Патент РФ № 2399694. Способ газодинамической обработки поверхности порошковым материалом и устройство для его реализации / Косарев В.Ф., Клинков С.В., Лаже Б., Бертран Ф., Смуров И. // БИПМ. 2010. № 26.

39. Патент РФ № 2399695. Способ напыления высокодисперсных порошковых материалов и устройство для его осуществления / Алхимов А.П., Фомин В.М., Косарев В.Ф., Клинков С.В. // БИПМ. 2010. № 26.

40. European Patent № 2 202 332 Bl. The method of gas-dynamic acceleration of powder particles and device for its realization / Kosarev V.F., Klinkov S.V., Laget В., Bertrand P., Smurov I. // Europian Patent Bullitin. 2012. № 13.

41. Патент РФ № 2468123. Устройство для газодинамического напыления порошкового материала (Варианты) и способ напыления порошкового материала / Зайковский В Н., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Меламед Б.М., Трубачеев Г.В. // БИПМ. 2012. № 23.

Список цитированной литературы

1. Henderson С.В. Drag coefficient of spheres in continuum and rarefied flows // AIAA Journal. 1976. Vol. 14. No. 6. P. 707 - 708.

2. Киселев С.П., Руев Г.А., Трунев А.П., Фомин В.М. и др. Ударно-волновые процессы в двухкомпонентных и двухфазных средах. Новосибирск: ВО "Наука" Сиб. изд. фирма, 1992. 261 с.

3. Витман Ф.Ф., Златин Н.А. О процессе соударения деформируемых тел и его моделировании. I. (Состояние и теория вопроса) // Журнал технической физики. 1963. Т. 33, вып. 8. С. 982 - 989.

4. Беляков Л.В., Витман Ф.Ф., Златин Н.А. О процессе соударения деформируемых тел и его моделировании. II. (О моделировании удара шара по полупространству) // Журнал технической физики. 1963. Т. 33, вып. 8. С. 990 - 995.

5. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Фомин В.М. Холодное газодинамическое напыление. Теория и практика. М.: Физматлит, 2010. 536 с.

6. Schmidt Т., Gartner F., Stoltenhoff Т., KreyeH., AssadiH. High Velocity Impact Phenomena and Coating Quality in Cold Spraying // Proc. Int. Thermal Spray Conf. "Thermal Spray Connects: Explore its Surfacing Potential!", May 2-4, 2005, Basel, Swizerland / Ed. E. Lugscheider, Dusseldorf: DVS-Verl., 2005. P. 232-238.

7. Schmidt Т., Gartner F., Assadi H., Kreye H. Development of a generalized parameter window for cold spray deposition // Acta Mater. 2006. Vol. 54. P. 729-742.

8. КудиновВ.В., Иванов В.М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. М.: Машиностроение, 1981. 192 с.

9. Шоршоров М.Х., Харламов Ю.А. Физико-химические основы детонационно-газового напыления покрытий. М.: Наука, 1978. 224 с.

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

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

12. Wu J., Fang Н., Kim Н., Lee Ch. High speed impact behaviors of A1 alloy particle onto mild steel substrate during kinetic deposition // Mater. Sci. and Eng. 2006. A 417. P. 114-119.

13. Wu J., Fang H., Yoon S., Kim H., Lee Ch. The rebound phenomenon in kinetic spraying deposition // Scripta Materialia. 2006. Vol. 54. P. 665-669.

14. Wu J.W., Fang H.Y., Lee C.H., Yoon S.H., Kim H.J. Critical and Maximum Velocities in Kinetic Spraying //Proc. Int. Therm. Spray Conf. "Building on 100 years of success", May 15-18, 2006, Seattle, Washington, USA / Ed. B. R. Marple et al. Materials Park, Ohio, ASM International, 2006. P. 7.

15. Shkodkin A., Kashirin A., Klyuev O., Buzdygar T. Metal particle deposition stimulation by surface abrasive treatment in gas dynamic spraying // J. of Therm. Spray Technology. 2006. Vol. 15, No 3. P. 382-386.

16. Li C.-J., Wang H.-T., Zhang Q., Yang G.-J., Li W.-Y., Liao H.L. Influence of Spray Materials and their Surface Oxidation on the Critical Velocity in Cold Spraying // Proc. Int. Thermal Spray Conf. "Expanding Thermal Spray Performance to New Markets and Applications", May 4-7, 2009, Las Vegas, Nevada / Eds. B.R. Marple et.al. Materials Park, Ohio, ASM International, 2009. P. 342-347.

17. Kang K.C. Yoon S.H., Ji Y.G., Lee C. Oxidation Effects on the Critical Velocity of Pure Al Feedstock Deposition in the Kinetic Spraying Process // Proc. Int. Thermal Spray Conf. "Global Coating Solutions" / Eds. B.R. Marple, et al. Materials Park, Ohio, ASM International, 2007. P. 66-71.

Ответственный за выпуск С. В. Клинков

Подписано в печать 19.02.2013 Формат бумаги 60x84/16, Усл. печ. л. 1.9 Уч.-изд. л. 2.0, Тираж 150 экз., Заказ №2

Отпечатано ЗАО "ИНТЕРТЕК" 630090, Новосибирск, Институтская, 4/1

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук

05201351206

Управление эрозионно-адгезионным переходом при ХГН

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант Косарев Владимир Федорович

На правах^укописи

Клинков Сергей Владимирович

Новосибирск 2013

Оглавление

Список обозначений.......................................................................................................5

Введение ..........................................................................................................................9

Глава I Особенности формирования сверхзвуковых гетерогенных потоков в

условиях ХГН...............................................................................................19

1.1 Движение чистого газа..............................................................................................20

1.1.1 Течение в соплах Лаваля большого удлинения...............................................20

1.1.2 Течение в сверхзвуковой струе..........................................................................32

1.1.3 Течение в окрестности преграды.......................................................................42

1.1.4 Теплообмен сверхзвуковой струи с преградой................................................54

1.1.5 Эжекторная схема формирования гетерогенных сверхзвуковых потоков в условиях ХГН...........................................................................................................................64

1.2 Движение и теплообмен частиц................................................................................81

1.2.1 Основные свойства частиц.................................................................................81

1.2.2 Измерение скорости частиц в условиях ХГН...................................................89

1.2.3 Расчет скорости и температуры частиц в момент удара.................................93

1.2.4 Оптимизация геометрических характеристик сопла для получения максимальной скорости удара................................................................................................99

1.2.5 Оптимизация процесса получения многокомпонентных покрытий............105

Приложение....................................................................................................................122

Компьютерное приложение......................................................................................122

Замечание........................................................................................................................130

Выводы по гл. 1..............................................................................................................130

Глава II Основные закономерности эрозионно-адгезионного перехода..........131

2.1 Важнейшие результаты экспериментальных исследований................................131

2.1.1 Скорость частиц - основной управляющий параметр...................................131

2.1.2 Деформация закрепившихся микрочастиц при высокоскоростном ударе..135

2.1.3 Образование интерметаллической связи на контактной границе................142

2.2 Моделирование адгезионного взаимодействия.....................................................143

2.2.1 Общие закономерности удара микрочастиц. Возможность адгезионного

взаимодействия за счет локального плавления...................................................................144

2.2.2 Адгезионное взаимодействие при помощи топохимических реакций. Понятие вероятности закрепления.......................................................................................155

Выводы по гл. 2..............................................................................................................165

Глава III Активирующие эрозионно-адгезионный переход процессы...............166

3.1 Влияние эрозии на процесс газодинамического напыления................................167

3.1.1 Сравнение эффектов эрозии и напыления при увеличении скорости частиц ..................................................................................................................................................167

3.1.2 Кинетика роста покрытия с учетом процесса эрозии....................................170

3.2 Активация нагревом поверхности подложки........................................................177

3.2.1 Экспериментальная установка.........................................................................177

3.2.2 Экспериментальные результаты......................................................................179

3.3 Активация ударами о поверхность подложки. Время индукции........................182

3.3.1 Основные экспериментальные результаты.....................................................183

3.3.2 Моделирование автоактивационной стадии...................................................185

3.3.3. Экспериментальная проверка влияния баланса между скоростью и температурой частиц при ХГН с использованием звукового сопла.................................193

3.4 Влияние материала поверхности подложки на процесс ХГН.............................197

3.4.1 Кинетика роста покрытия с учетом влияния подложки................................197

3.4.2 Расчет поправки к коэффициенту напыления................................................203

3.4.3 Коэффициент напыления на движущейся подложке.....................................204

3.5 Активация абразивными частицами.......................................................................208

3.5.1 Основные экспериментальные результаты.....................................................208

3.5.2 Моделирование..................................................................................................215

3.6 Другие виды активации...........................................................................................223

Выводы по гл. 3..............................................................................................................227

Глава IV Развитие метода ХГН..................................................................................229

4.1 Технология производства кабельных наконечников и переходных пластин с электрокоррозионностойким покрытием.................................................................................229

4.1.1. Описание технологии.......................................................................................229

4.1.2. Методика и результаты испытаний наконечников и пластин.....................231

4.2 Повышение электроэрозионной стойкости материалов за счет нанесения наноструктурных композитных покрытий методом ХГН.....................................................233

4.3 Нанесение антикоррозионных покрытий..............................................................237

4.4 Применение закрутки потока и формы среза сопла при ХГН.............................240

4.4.1 Установка и методы..........................................................................................241

4.4.2 Газодинамика.....................................................................................................242

4.4.3 Результаты измерения скорости частиц..........................................................244

4.4.4 Результаты с напылением.................................................................................247

4.4.5 Обобщение результатов экспериментов.........................................................249

4.4.6 Угол крена..........................................................................................................255

4.4.7 Поведение коэффициента напыления.............................................................256

4.4.8 Применение для напыления внутренней поверхности труб.........................259

4.5 Применение микросопел при ХГН.........................................................................260

4.5.1 Предварительные оценки.................................................................................260

4.5.2 Экспериментальная установка.........................................................................263

4.5.3 Расчетные модели.............................................................................................264

4.5.4 Сравнение результатов расчетов.....................................................................265

4.5.5 Сравнение расчетных и экспериментальных данных....................................267

4.5.6 Результаты напыления и обсуждение.............................................................268

4.5.7 Поиск оптимальных параметров......................................................................271

4.6 Основные свойства ХГН покрытий........................................................................275

4.6.1 Адгезионно-когезионная прочность покрытий..............................................275

4.6.2 Микротвердость покрытий...............................................................................279

4.6.3 Пористость и плотность покрытий..................................................................282

Выводы по гл. 4..............................................................................................................284

Заключение...................................................................................................................284

Литература....................................................................................................................287

Список обозначений

°сг Скорость звука в критическом сечении сопла

Ъст Поперечный размер сопла в критическом сечении перпендикулярно И,

с/ Коэффициент трения

ся Теплоемкость газа при постоянном давлении

С* Коэффициент сопротивления частицы

Диаметр частиц

Диаметр контакта частицы с поверхностью подложки

Диаметр сопла на выходе

Еас Энергия активации образования связей в контакте частица-подложка

в Массовый расход газа

Массовый расход частиц

Н„ Наибольший поперечный размер сопла на выходе

НР Прочность частицы

Нт Теплота плавления

Нег Энтальпия эрозии

Нс Ширина полосы напыления

НУ Твердость по Виккерсу

к Наименьший поперечный размер сопла на выходе

к Толщина подложки

к Высота деформированной частицы над поверхностью подложки

К Толщина покрытия

К Коэффициент напыления

и Длина сопла

и Длина подложки

к, Дистанция от среза сопла до подложки

Число Маха на выходе сопла

м0 Число Маха, соответствующее идеальному течению газа

мехр Экспериментальное число Маха

М Число Маха частицы

р

т Масса частицы

р 1

тс Масса покрытия

тсг Масса эрозии

п Нерасчетность струи или счетная концентрация частиц, по контексту

п Число отверстий в тангенциальном завихрителе

Ии Число Нуссельта

]\1ир Число Нуссельта частицы

р Статическое давление газа

ро Давление торможения газа

р'0 Давление торможения газа за прямой ударной волной

р Давление на поверхности подложки

ра Давление в окружающей среде

Рг Число Прандтля

Газодинамическая функция для расхода газа

Яе Число Рейнольдса

Яе Число Рейнольдса частицы

р

г Радиус

г Радиус контакта частицы с подложкой

Бех Площадь выходного сечения сопла

8СГ Площадь критического сечения сопла

5п Площадь поперечного сечения сопла

Площадь миделевого сечения частицы

Б/^ Число Стентона

То Температура торможения газа

Та Температура окружающего воздуха

То ах Аксиальная температура торможения газа

Ъ, Тм, Температура подложки (поверхности)

Тг Температура восстановления

Т Температура частицы

Трк Температура частиц в момент удара о поверхность подложки/покрытия

Тт Температура плавления

Т Температура в контакте частица-подложка

7 Время контакта частицы с подложкой

и Скорость газа вдоль оси сопла

и Аксиальная скорость газа

и Осредненная скорость газа

ир Скорость частиц

ирех Скорость частиц на выходе сопла

и Скорость частиц в момент удара о поверхность подложки/покрытия

и Критическая скорость частиц для напыления

V Скорость газа поперек оси сопла

ур Скорость частиц

х Поперечная координата параллельно Ип

У Поперечная координата перпендикулярно /г„

г Координата вдоль оси сопла

г Дистанция от среза сопла до подложки

2и; Дистанция отхода ударной волны от поверхности подложки

г Координата ввода частиц

а Коэффициент теплообмена

а Угол среза сопла

У Показатель адиабаты

8 Толщина пограничного слоя 8 * Толщина вытеснения

8 * * Толщина потери импульса

Ер Степень деформации частицы

Эс Вероятность закрепления

Я Коэффициент скорости, аналог числа Маха, но скорость газа нормируется на величину скорости звука в критическом сечении сопла

А Коэффициент теплопроводности подложки

м Вязкость газа

р Плотность газа

Ро Плотность торможения газа

Рр Плотность частицы

Введение

Большой интерес к процессам взаимодействия многофазных потоков с преградой связан с разработкой новых технологий обработки поверхности деталей, в том числе получения покрытий и материалов с новыми свойствами. Широкими комплексными возможностями обладают газотермические (газопламенные, плазменные, детонационные и др.) методы нанесения порошковых покрытий (см., например, работы [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15. 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24]). Общим для всех газотермических методов является то, что материал покрытия (как правило, в виде порошка) нагревается до температуры плавления и ускоряется в высокотемпературном газовом потоке. Расплавленные частицы, ударяясь о поверхность подложки, закрепляются и образуют покрытие. Наряду с очевидными достижениями в области газотермических методов нанесения покрытий имеется ряд факторов негативного характера, основные из которых перечислены ниже:

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

2) С уменьшением размера частиц улучшается заполнение покрытия - пористость уменьшается, покрытие становится более однородным, появляется возможность наносить тонкие покрытия. Однако слишком мелкие порошки, будучи введенными в высокотемпературную струю, могут в ней полностью испариться. По этой причине для напыления этими методами обычно используют порошки размером более 50 мкм.

3) Наличие высокотемпературной струи может явиться причиной существенного нагрева обрабатываемого изделия (особенно при напылении на достаточно мелкие детали), приводящего к появлению напряжений и искажению формы.

4) В процессе высокотемпературного напыления необходимо проведение дополнительных работ по защите обслуживающего персонала. К уже отмеченным выше недостаткам следует добавить сложность и высокую стоимость оборудования, малый ресурс работы отдельных узлов, а также сложность управления процессом напыления.

По этим причинам необходим поиск новых методов напыления.

Открытое в Институте Теоретической и Прикладной Механики им. С.А. Христиановича Сибирского Отделения РАН (ИТПМ СО РАН) в начале 80Ь1Х годов 20-го века явление холодного напыления при обтекании тел сверхзвуковым двухфазным потоком (газ + твердая частица) с температурой торможения газа 300 К (первые результаты

были оформлены в виде заявки на изобретение с приоритетом от 3.11.1983 г. [а.с. СССР № 1246638, 1986], позднее вышли работы [25, 26], European Patent №0 484 533 Al, 1992 г.; United States Patent № 5,302,414, 1994 г.) показало, что возможно формирование прочных покрытий при начальной температуре частиц существенно меньшей их температуры плавления. Новый метод, названный метод холодного газодинамического напыления (ХГН), показав свою уникальность и перспективность, вызвал в России [27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35] и за рубежом [36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50] огромный интерес и потребовал всестороннего его исследования. В международных изданиях, публикуемых на английском языке, метод получил название Cold Spray.

Отсутствие высоких температур позволяет существенно расширить возможности методов нанесения покрытий порошковыми материалами и обеспечивает ряд важных преимуществ метода ХГН перед известными газотермическими методами, включая:

- возможность использования для напыления порошков с размером менее 30 - 50 мкм, в том числе ультрадисперсных, что приводит к улучшению качества покрытия -увеличивается его плотность, уменьшается объем микропустот, структура становится более однородной, появляется возможность уменьшить толщину покрытия;

- отсутствие существенного нагрева частиц и связанных с ним процессов высокотемпературного окисления, фазовых переходов и т.д., что позволяет получать покрытия со свойствами близкими к свойствам материала исходных частиц, а также композиционные покрытия из механической смеси порошков, значительно различающихся по физико-термическим свойствам;

- отсутствие существенного термического воздействия на изделие, что позволяет наносить покрытия на подложки из нетермостойких материалов;

- простота технической реализации и улучшение безопасности работ в связи с отсутствием высокотемпературных струй, а также огне- и взрывоопасных газов.

На основе метода ХГН создаются технологии для решения задач энерго- и ресурсосбережения в различных областях промышленности и вводятся в практику нетрадиционные и эффективные способы производства, ремонта, восстановления, антикоррозионной защиты, получения электро- и теплопроводящих, антифрикционных и других покрытий функциональных узлов и элементов самой различной техники и оборудования. Группа ученых (в том числе и автор представленной работы Клинков C.B.) под руководством академика Фомина В.М. за создание обобщенной теории взаимодействия высокоскоростных гетерогенных потоков с преградой, разработку технологий и

оборудования для газодинамического напыления металлов, широкомасштабно используемых в мировой практике отмечена премией Правительства РФ 2010. Однако потенциал ХГН до конца не раскрыт, некоторые аспекты процесса требуют дальнейшего исследования с целью создания новых технологий, их оптимизации, а также более глубокого понимания физики высокоскоростного ударного взаимодействия гетерогенных потоков с преградами.

Возможность образования покрытий из частиц в твердом (нерасплавленном) состоянии оказалась неожиданной для специалистов поскольку, существовали представления о необходимости плавления (общего либо локального) для появления адгезии между частицей и поверхностью подложки и образования покрытия и о том, что при ударе нерасплавленной частицы упругая энергия вызовет отрыв и отскок частицы от преграды.

Здесь уместно привести цитату специалиста мирового уровня Дж. Браунина [51], который внес большой вклад в технологии напыления. «Многие из нас удивляются, почему более 30 лет существовало решение увеличивать температуру струи, а не скорость. Околдовала ли нас плазма и ее новизна? В то время, когда технология горения доставила людей на луну и высокоскоростная детонационная пушка была так далеко впереди всех других методов напыления, почему никто не сложил