Косарев Владимир Федорович. Физические основы холодного газодинамического напыления

brief description

Косарев Владимир Федорович. Физические основы холодного газодинамического напыления : Дис. ... д-ра физ.-мат. наук : 01.02.05 : Новосибирск, 2003 292 c. РГБ ОД, 71:04-1/44-2

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ
На правах рукописи УДК 533.6: 535.8: 621.793
>>
I • ■
Косарев Владимир Федорович
• V' ' , , ,
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХОЛОДНОГО ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ
1. 02. 05 - механика жидкостей, газа и плазмы
Диссертация
на соискание ученой степени
доктора физико-математических наук » '
!

I Научный консультант:
д.т.н. Алхимов А.П.

Новосибирск, 2003 г.
о 6 НОЯ 2003 
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1 ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ НАПЫЛЕНИЯ 28
1.1 ТЕЧЕНИЕ В СВЕРХЗВУКОВОМ СОПЛЕ БОЛЬШОЙ ДЛИНЫ 29
1.1.1 Экспериментальное определение параметров газового потока на срезе
плоского сверхзвукового сопла 30
Описание экспериментальной установки 30
Анализ экспериментальных результатов 33
1.1.2 Расчет параметров газа внутри сопла 36
I Учет вытесняющего действия пограничного слоя 36
Расчет средних по сечению параметров потока 40
1.2 СТРУЙНОЕ ИСТЕЧЕНИЕ из СВЕРХЗВУКОВОГО СОПЛА ПРЯМОУГОЛЬНОГО ВЫХОДНОГО
СЕЧЕНИЯ 44
1.2.1 Экспериментальная установка и методики исследования 45
* 1.2.2 Экспериментальные результаты 47
Профили числа Маха 48
Профили избыточной температуры 49
Продольное распределение осевых значений параметров 50
Толщина струи 53
Влияние нерасчетности 55
1.3 НАТЕКАНИЕ СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУИ НА ПРЕГРАДУ 57
1.3.1 Экспериментальная установка 58
1.3.2 Экспериментальные результаты 58
1 Распределение давления на поверхности преграды 58
; Градиент скорости в точке торможения 60
Сравнение распределения давления в струе и на поверхности преграды ....62 Влияние расстояния от среза сопла до преграды. Колебания струи 63
і
(4 Пристенная струя 66
Толщина сжатого слоя 69
1.4 ТЕПЛООБМЕН СТРУИ С ПРЕГРАДОЙ 73
1.4.1 Методика измерения коэффициента теплообмена 74
1.4.2 Коэффициент теплообмена 78
1.4.3 Температура поверхности преграды 82
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 85
т
з
ГЛАВА 2 СКОРОСТЬ УДАРА ЧАСТИЦ О ПРЕГРАДУ ПРИ
ГАЗОДИНАМИЧЕСКОМ НАПЫЛЕНИИ 89
2.1 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ЧАСТИЦ 89
2.1.1 Методы диагностики 89
Лазер-доплеровский измеритель скорости (ЛДИС) 89
Метод треков 90
2.1.2 Экспериментальные результаты 93
2.2 РАСЧЕТ СКОРОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ЧАСТИЦ В МОМЕНТ УДАРА 94
2.2.1 Компьютерное приложение 97
2.3 ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СОПЛА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ
МАКСИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ УДАРА 104
2.3.1 Картина движения газа и частиц 104
2.3.2 Модель расчета параметров газа и частиц 106
2.3.3 Результаты по оптимизации параметров сопла по скорости частиц в момент
удара 108
2.3.4 Определение температуры частиц в момент удара 112
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ // 114
ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА
ХОЛОДНОГО ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ 115
3.1 ЗАВИСИМОСТЬ ПРОЦЕССА НАПЫЛЕНИЯ ОТ СКОРОСТИ ЧАСТИЦ И ТЕМПЕРАТУРЫ
ПОДОГРЕВА РАБОЧЕГО ГАЗА 115
3.1.1 Описание установки 116
3.1.2 Экспериментальные результаты 120
3.2 НАПЫЛЕНИЕ ПРИ БОЛЬШИХ КОНЦЕНТРАЦИЯХ ЧАСТИЦ 124
3.2.1 Критическая концентрация 125
3.2.2 Влияние угла напыления 128
3.3 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА С НАГРЕТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ И
ФОРМИРОВАНИЕ НА НЕЙ ПОКРЫТИЙ 130
3.3.1 Экспериментальная установка 131
3.3.2 Температура поверхности образца 133
3.3.3 Экспериментальные результаты 136
3.4 НАПЫЛЕНИЕ С ВОЗБУЖДЕНИЕМ РЕАКЦИЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА 140
3.4.1 Условия проведения СВС реакций при газодинамическом напылении 140
3.4.2 Экспериментальная установка и результаты 142
3.4.3 Осесимметричные сопла с центральным телом 144
3.4.3 Анализ покрытий 149
3.5 НАНЕСЕНИЕ МЕТАЛЛ-ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ ХГН 149
3.5.1 Установка и материалы 150
3.5.2 Результаты исследования 151
3.5.3 Физико-технические свойства металл-полимерных тонких слоев и
скомпактированных порошковых материалов 153
Результаты исследования методом дифракции синхротронного излучения
154
Адгезионно-когезионная прочность 156
Электросопротивление композитных материалов 157
Триботехнические свойства тефлонсодержащих покрытий 158
3.5.4 Моделирование трения металл-полимерного композита 160
Основные принципы моделирования 160
Результаты моделирования и обсуждение 164
ф ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ III 167
ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ОДИНОЧНЫХ ЧАСТИЦ С ПОВЕРХНОСТЬЮ 170
4.1 АДГЕЗИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОДИНОЧНЫХ ЧАСТИЦ С ПОДЛОЖКОЙ. 171
4.1.1 Влияние скорости частиц, температуры рабочего газа и подготовки
поверхности 171
4.1.2 Активация поверхности частицами. Время задержки 174
4.1.3 Критические параметры 177
4.2 ДЕФОРМАЦИЯ МИКРОЧАСТИЦ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ УДАРЕ. 179
4.2.1 Экспериментальная установка и методы измерений 180
4.2.2 Методика измерений 182
4.2.3 Статистическая обработка 183
4.2.4 Результаты микроскопических исследований 185
4.2.5 Зависимость деформации от скорости удара 189
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ IV 190
ГЛАВА 5 МОДЕЛИРОВАНИЕ АДГЕЗИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ОДИНОЧНОЙ ЧАСТИЦЫ ПРИ ЕЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ 192
5.1 ОЦЕНКИ ВРЕМЕНИ КОНТАКТА И СТЕПЕНИ ДЕФОРМАЦИИ ЧАСТИЦЫ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ УДАРЕ.
5.2.1 Аналитическое моделирование 194
5.2.2 Результаты 198
5.2.3 Численный расчет 201
5.3 ОБРАЗОВАНИЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ в ЗОНЕ КОНТАКТА ПРИ НАПЫЛЕНИИ АЛЮМИНИЯ НА
НИКЕЛЬ 203
5.4 ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ МИКРОЧАСТИЦ ПРИ УДАРЕ О ТВЕРДУЮ ПРЕГРАДУ205
5.4.1 Исходные предпосылки 205
5.4.2 Численное моделирование деформации частицы при высокоскоростном
ударе 206
5.4.3 Моделирование расплавленного слоя 209
Толщина расплавленного слоя больше толщины вязкого слоя 210
Толщина расплавленного слоя равна толщине вязкого слоя 213
Температура расплавленного слоя 213
5.5 ОСОБЕННОСТИ АДГЕЗИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ПОДЛОЖКОЙ НЕРАСПЛАВЛЕННОЙ
ЧАСТИЦЫ 214
5.5.1 Определяющее уравнение для числа образовавшихся связей 215
5.5.2 Время контакта 216
5.5.3 Диаграмма термического состояния частиц при ударе 217
Прогреваемый объем 217
»
Критические скорости 217
Диаграмма термосостояний 218
Объем материала при температуре плавления 220
5.5.4 Температура контакта 221
5.5.5 Энергия активации 222
5.5.6 Энергия адгезии 224
5.5.7 Упругая энергия 224
5.5.8 Сравнение энергий 226
5.5.9 Вероятность закрепления 227
5.5.10 Задача оптимизации 229
5.5.11 Полидисперсность 231
5.6 ВЛИЯНИЕ АКТИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ НА ПРОЦЕСС ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ 232
5.6.1 Энергия активации 234
5.6.2 Численный эксперимент 235
5.6.3 Результаты моделирования 236
Зависимость запыленной площади от скорости частиц 239
Зависимость запыленной площади от температуры частиц 242
Выводы ПО ГЛАВЕ V 243
ГЛАВА 6 СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ И ВОПЛОЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
ИССЛЕДОВАНИЙ В КОНКРЕТНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ 245
6.1 ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ. 245
6.1.1 Микроструктура покрытий 245
6.1.2 Прочность сцепления 248
6.1.3 Микротвердость покрытия 253
6.1.4 Плотность, пористость, газопроницаемость 256
6.1.5 Коррозионные свойства газодинамических покрытий 258
6.2 НАНЕСЕНИЕ АНТИКОРРОЗИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ВНУТРЕННЮЮ ПОВЕРХНОСТЬ
ДЛИННОМЕРНЫХ ТРУБ 262
6.2.1 Описание установки и принцип работы 263
6.2.2 Свойства получаемых покрытий 266
6.3 НАНЕСЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ 267
6.3.1 Описание технологии 268
6.3.2 Методика испытания наконечников 269
6.3.3 Результаты испытаний 271
6.4 УСТАНОВКА ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ ПЕРЕНОСНОГО ТИПА 272
Выводы ПО ГЛАВЕ Vi 278
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 279
ЛИТЕРАТУРА 282

bibliography

Основные результаты и выводы
1. В результате проведения комплекса исследований созданы научные
основы метода холодного газодинамического напыления:
- установлено, что на параметры течения внутри сопла большой длины (L = 20 - 50 К) с прямоугольным сечением сверхзвуковой части, заметное влияние оказывает пограничный слой;
- зарегистрировано, что при определенных расстояниях от среза сопла до преграды наблюдается неустойчивость струи, выражающаяся в возникновении ее поперечных колебаний;
- определена толщина сжатого слоя при натекании струи на преграду;
- измерены распределения по поверхности преграды коэффициента теплообмена, рассчитана температура преграды и показано, что для теплопроводных материалов заметно снижение температуры поверх¬ности в пятне напыления по сравнению с температурой торможения;
- измерены скорости частиц на срезе сопла, проведено сопоставление
расчетных и экспериментальных данных и предложена аппроксимационная зависимость скорости частиц от определяющих параметров задачи; предложено компьютерное приложение,
позволяющее проводить расчет скорости и температуры частиц при газодинамическом напылении;
- поставлена и решена задача оптимизации параметров сопла (длина и толщина сверхзвуковой части сопла) по скорости удара частиц о преграду;
- получена зависимость степени деформации сферических
алюминиевых частиц при высокоскоростном ударе от их кинетической энергии, позволяющая верифицировать результаты моделирования;
- моделированием тепловыделения в зоне контакта показано, что влияние толщины зоны тепловыделения на температуру в контакте, особенно для частиц dp < 10 мкм, мало и можно принимать, что тепло выделяется в слое нулевой толщины; для металлических частиц
размером dp < 50 мкм недопустимо условие адиабатичности, обычно применяемое при моделировании ударного деформирования макротел; при скорости, зависящей от размера частицы, в ней может появиться тонкий слой расплавленного металла и поддерживаться за счет тепловыделения в вязком пограничном слое;
- моделированием адгезионного взаимодействия частицы с преградой показано, что существует оптимальный для газодинамического напыления размер частиц (по вероятности закрепления на поверхности преграды);
- предложена модель, учитывающая зависимость процесса напыления от коллективного взаимодействия частиц с преградой.
2. Найдены режимы напыления из механической смеси мелкодисперсных порошков, позволяющие проводить синтез интерметаллидов на напыляемой поверхности непосредственно в процессе напыления.
3. Получены метал-полимерные (Си + тефлон) покрытия, имеющие электропроводность близкую к электропроводности меди и коэффициент трения, сравнимый с коэффициентом трения тефлона. Проведено моделирование износа при трении исследованных композитов, результаты которого согласуется с экспериментальными данными.
4. Разработаны оборудование и технологии нанесения электропроводных коррозионностойких покрытий на электротехнические изделия и антикоррозионных покрытий на внутреннюю поверхность длинномерных труб; переносная (ручная) установка для нанесения порошковых покрытий методом ХГН, обеспечивающая нанесение покрытий на открытых площадках, для проведения ремонтных и восстановительных работ и т.д. 
Обобщенные результаты данной работы позволяют рассматривать их как новое научное направление в механике жидкости, газа и плазмы: формирование покрытий из микрочастиц методом холодного газодинамического напыления.
В заключение автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность чл. корр. РАН В.М. Фомину за всестороннюю поддержку данного направления, д. ф. - м. н., профессору А.Н. Папырину, к.ф.-м.н. |Н.И. Нестеровичу|, д.т.н. А.П.Алхимову, и к.ф.-м.н. С.В. Клинкову, в тесном и плодотворном сотрудничестве с которыми была создана экспериментальная база, выбраны направления и методики исследований, получен ряд важных научных результатов.
Автор благодарен всем сотрудникам лаборатории “Физики многофазных сред” за помощь в проведении экспериментов, полезные обсуждения и замечания.