РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА, ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для решения поставленных в предыдущем разделе задач необходимо провести
теоретические исследования, разработать математические модели, вычислительные
алгоритмы и создать соответствующее программное обеспечение, с помощью которого
выполнить детальное компьютерное моделирование процессов теплового и
динамического взаимодействия плазменной струи с напыляемыми частицами. С целью
верификации разработанных моделей следует провести натурные эксперименты,
сравнить полученные расчетные данные с экспериментальными, и в случае
необходимости внести коррективы в математические модели.
2.1. Методика проведения теоретических исследований и компьютерного
моделирования
Теоретические исследования процессов плазменного напыления, рассмотренные в
данной работе, включали следующие этапы: анализ существующих и разработка новых
подходов к описанию процессов теплообмена потока плазмы с частицами дисперсных
материалов с учетом процессов испарения материала частиц, а также процессов
тепловыделения в объеме композиционной частицы за счет экзотермической реакции
между ее компонентами.
При теоретическом описании потоков энергии, переносимой ионами и электронами
плазмы на поверхность частицы, плазма в приповерхностном слое рассматривалась
как многокомпонентная, содержащая, наряду с атомами и ионами плазмообразующего
газа, атомы и ионы испаренного материала. Для определения характеристик
приповерхностной плазмы использовались балансные соотношения, выражающие законы
сохранения потоков массы, импульса и энергии частиц плазмы в приповерхностном
кнудсеновском слое, включающем в себя бесстолкновительный слой
пространственного заряда и ионизационную область (предслой) [1].
Расчет тепловыделения внутри композиционной частицы за счет протекания
экзотермической реакции проводился на основе уравнения химической реакции в
рамках модели [2], описывающей протекание гомогенных реакций.
Расчет скорости и траектории движения напыляемой частицы в плазменной струе
осуществлялся путем решения стандартной системы уравнений движения
(обыкновенных дифференциальных уравнений) методом Эйлера [3].
Для определения температурного поля в напыляемой частице (как гомогенной, так и
композиционной, в том числе с учетом внутреннего источника тепла)
использовалось нестационарное нелинейное уравнение теплопроводности. Скрытая
теплота плавления учитывалась в рамках модели эффективной теплоемкости. Данное
уравнение решалось численно (методом конечных разностей) с применением неявной
разностной схемы Кранка-Николсона [4]. При этом использовалась одномерная
нерегулярная пространственная сетка, позволяющая учитывать температурное
расширение материала частицы в процессе ее нагрева в плазме. Полученная таким
образом алгебраическая система разностных уравнений решалась методом
прогонки [5]. Для корректного учета скрытой теплоты фазовых переходов
использовалось дробление шага по времени.
Предварительный расчет тепловых и газодинамических характеристик турбулентной
плазменной струи, генерируемой плазмотроном косвенного действия с гладким
каналом, проводился с помощью разработанного в ИЭС им. Е. О. Патона
специализированного пакета прикладных программ CASPSP [6], предназначенного для
компьютерного моделирования турбулентных плазменных струй, а также
моделирования нагрева и движения напыляемых частиц.
Для проведения вычислительных экспериментов по моделированию процессов
напыления частиц дисперсного материала было разработано оригинальное
программное обеспечение. При его создании использовалась интегрированная среды
разработки CodeGear Delphi 2007 для платформы Win32.
2.2. Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов
Эксперименты по напылению композиционного порошка Ni-Al проводились на
установке для плазменного напыления УПУ-8М. В экспериментах использовался
порошок Ni-Al, представляющий собой плакированные частицы с алюминиевым ядром и
никелевой оболочкой примерно постоянной толщины (около 5 мкм) для различных
фракций, что определяется технологией его изготовления [7, 8]. Порошок был
предварительно просеян для получения размеров частиц в диапазоне от 40 до 100
мкм. Данный порошок характеризуется также тем, что в случае частиц диаметром 70
мкм (средняя фракция для выбранного диапазона размеров частиц) массовые доли
исходных компонентов напыляемого порошка составляют (Ni) и (Al).
2.3. Структурно-фазовый анализ образца покрытия
Для исследования структуры и фазового состава образца напыленного покрытия были
применены методы количественной металлографии, фазового и химического анализа.
Порезку образца покрытия проводили на установке «Isomet» фирмы Buchler с
помощью алмазосодержащих дисков. Образец материала покрытия заливали в
эпоксидную смолу в установке вакуумной заливки фирмы Buchler. После застывания
образец подвергался шлифовке на шлифовальной бумаге и алмазных дисках.
Окончательную полировку шлифа осуществляли на сукне с добавлением водной
суспензии Аl2О3 с размером частиц 1 мкм.
Внешний вид и топографию поверхности покрытий исследовали на растровом
электронном микроскопе JSM-840, снабженном системой микроанализа «Link
860/500». Изображение получали в режиме вторичных электронов с помощью
компьютерной программы «ZAF/PB», предназначенной для исследования шероховатых
поверхностей. Система регистрации изображений осуществлялась при помощи
компьютерной программы «MicroCapture». Цифровое изображение обрабатывалось
программой «Atlas».
Подготовку образцов
- Київ+380960830922