Динамика движения и нагрева порошка при детонационном напылении покрытий

Предложена математическая модель, описывающая взаимодействие частицами порошка с продуктами детонации внутри ствола детонационной установки и в пространстве между срезом ствола и напыляемым изделием. Сопоставлены расчетные и экспериментальные результаты. Численно исследованы особенности поведения п...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2006
Автори:	Ульшин, В.А., Харламов, М.Ю., Борисов, Ю.С., Астахов, Е.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2006
Назва видання:	Автоматическая сварка
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102801
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Динамика движения и нагрева порошка при детонационном напылении покрытий / В.А. Ульшин, М.Ю. Харламов, Ю.С. Борисов, Е.А. Астахов // Автоматическая сварка. — 2006. — № 9 (641). — С. 37-43. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-102801
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1028012016-06-13T03:03:38Z Динамика движения и нагрева порошка при детонационном напылении покрытий Ульшин, В.А. Харламов, М.Ю. Борисов, Ю.С. Астахов, Е.А. Научно-технический раздел Предложена математическая модель, описывающая взаимодействие частицами порошка с продуктами детонации внутри ствола детонационной установки и в пространстве между срезом ствола и напыляемым изделием. Сопоставлены расчетные и экспериментальные результаты. Численно исследованы особенности поведения порошковых частиц при детонационном напылении. A mathematical model was proposed, describing the interaction of powder particles and detonation products inside a D-gun barrel and in the space between the barrel edge and sprayed part. Design and experimental results are compared. Features of behaviour of powder particles in detonation spraying were studied by numerical methods. 2006 Article Динамика движения и нагрева порошка при детонационном напылении покрытий / В.А. Ульшин, М.Ю. Харламов, Ю.С. Борисов, Е.А. Астахов // Автоматическая сварка. — 2006. — № 9 (641). — С. 37-43. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102801 533.9:621.793.7 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Ульшин, В.А. Харламов, М.Ю. Борисов, Ю.С. Астахов, Е.А. Динамика движения и нагрева порошка при детонационном напылении покрытий Автоматическая сварка
description	Предложена математическая модель, описывающая взаимодействие частицами порошка с продуктами детонации внутри ствола детонационной установки и в пространстве между срезом ствола и напыляемым изделием. Сопоставлены расчетные и экспериментальные результаты. Численно исследованы особенности поведения порошковых частиц при детонационном напылении.
format	Article
author	Ульшин, В.А. Харламов, М.Ю. Борисов, Ю.С. Астахов, Е.А.
author_facet	Ульшин, В.А. Харламов, М.Ю. Борисов, Ю.С. Астахов, Е.А.
author_sort	Ульшин, В.А.
title	Динамика движения и нагрева порошка при детонационном напылении покрытий
title_short	Динамика движения и нагрева порошка при детонационном напылении покрытий
title_full	Динамика движения и нагрева порошка при детонационном напылении покрытий
title_fullStr	Динамика движения и нагрева порошка при детонационном напылении покрытий
title_full_unstemmed	Динамика движения и нагрева порошка при детонационном напылении покрытий
title_sort	динамика движения и нагрева порошка при детонационном напылении покрытий
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2006
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102801
citation_txt	Динамика движения и нагрева порошка при детонационном напылении покрытий / В.А. Ульшин, М.Ю. Харламов, Ю.С. Борисов, Е.А. Астахов // Автоматическая сварка. — 2006. — № 9 (641). — С. 37-43. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT ulʹšinva dinamikadviženiâinagrevaporoškapridetonacionnomnapyleniipokrytij AT harlamovmû dinamikadviženiâinagrevaporoškapridetonacionnomnapyleniipokrytij AT borisovûs dinamikadviženiâinagrevaporoškapridetonacionnomnapyleniipokrytij AT astahovea dinamikadviženiâinagrevaporoškapridetonacionnomnapyleniipokrytij
first_indexed	2025-07-07T12:51:11Z
last_indexed	2025-07-07T12:51:11Z
_version_	1836992610401517568
fulltext	УДК 533.9:621.793.7 ДИНАМИКА ДВИЖЕНИЯ И НАГРЕВА ПОРОШКА ПРИ ДЕТОНАЦИОННОМ НАПЫЛЕНИИ ПОКРЫТИЙ В. А. УЛЬШИН, д-р техн. наук, М. Ю. ХАРЛАМОВ, канд. техн. наук (Восточноукр. нац. ун-т им. В. Даля), Ю. С. БОРИСОВ, Е. А. АСТАХОВ, доктора техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины) Предложена математическая модель, описывающая взаимодействие частицами порошка с продуктами детонации внутри ствола детонационной установки и в пространстве между срезом ствола и напыляемым изделием. Сопос- тавлены расчетные и экспериментальные результаты. Численно исследованы особенности поведения порошковых частиц при детонационном напылении. К л ю ч е в ы е с л о в а : детонационное напыление, покры- тие, технологические режимы, оптимизация, математи- ческая модель, параметры потока частиц Скорость и температура напыляемых частиц яв- ляются определяющими параметрами в формиро- вании структуры и свойств газотермических пок- рытий, в том числе детонационных. Экспери- ментальные исследования взаимодействия час- тиц порошка с продуктами детонации являются трудоемкими и дорогостоящими. Кроме того, их проведение осложняет некоторые особенности де- тонационного напыления покрытий (ДНП): вы- сокие скорости газовой и дисперсной фаз; малые размеры частиц используемого порошка; импуль- сный характер процесса ДНП и пр. С связи с этим актуальным становится создание математических моделей и разработка на их основе программных комплексов для исследований и оптимизации тех- нологических процессов ДНП. В известных работах по ДНП обычно рассмат- ривается только одномерный разгон дисперсной смеси в стволе детонационной установки (ДУ) [1– 4]. Влияние зоны вне ствола на параметры потока освещено в работе [5]. Однако при этом сделан ряд допущений, существенно снижающих точ- ность вычислений: пренебрегается влиянием дис- персной фазы на газ, для начального распреде- ления газового потока в стволе выбирается ав- томодельное решение для плоской детонационной волны (ДВ) и др. Для оптимизации технологических режимов ДНП необходимо изучить особенности нагрева и ускорения напыляемых частиц порошка как внут- ри ствола ДУ, так и в пространстве между ним и напыляемым изделием, в том числе при исполь- зовании стволов переменного по длине сечения. Математическая постановка задачи выглядит следующим образом. Ствол ДУ длиной L, име- ющий цилиндрическую форму с внутренним ди- аметром d, либо ствол с переменным сечением и выходным диаметром d частично или полнос- тью заполнен детонационно-способной смесью газов, имеющих начальные давление p0, плотность ρ0 и температуру T0. Внутри ствола в области z1, z2 (0 ≤ z1 ≤ z2 ≤ L) находится газовзвесь твердых сферических частиц диаметром dр. При иници- ировании у левого закрытого конца ствола фор- мируется ДВ, распространяющаяся по смеси со скоростью D (рис. 1). После достижения ДВ пра- вого открытого конца ствола начинается истече- ние продуктов детонации (ПД) и дисперсных час- тиц в окружающее газовое пространство. При этом сделаны следующие допущения: дав- ление создается только газом, влиянием порош- ковых частиц пренебрегают; вязкость и теплоп- роводность фаз учитывается лишь в процессах © В. А. Ульшин, М. Ю. Харламов, Ю. С. Борисов, Е. А. Астахов, 2006 Рис. 1. Схема ствола детона- ционной установки и расчет- ной области (см. обозначения в тексте) 9/2006 37 межфазного взаимодействия; расстояние, на ко- тором параметры течения значительно меняются, много больше размера частиц и дистанции между ними; частицы сферические монодисперсные и не вступают в химические реакции с ПД; дробление и столкновение частиц отсутствуют; ПД до начала истечения рассматриваются как реагирующая сре- да, имеющая в каждой точке равновесный хими- ческий состав, а после начала истечения — как инертный газ с постоянным показателем адиаба- ты; влияние частиц на характеристики ДВ не учи- тывается. Система уравнений двумерного осесимметрич- ного нестационарного движения газовзвеси имеет вид [6] ∂ρi ∂t + 1r ∂(rρivi) ∂r + ∂(ρiui) ∂z = 0, ∂(ρivi) ∂t + 1r ∂(rρivi 2) ∂r + ∂(ρiviui) ∂z + εi ∂p ∂r = (–1)ifrn; ∂(ρiui) ∂t + 1r ∂(rρiviui) ∂r + ∂(ρiui 2) ∂z + εi ∂p ∂z = (–1)ifzn; ∂(ρ2e2) ∂t + 1r ∂(rρ2e2v2) ∂r + ∂(ρ2e2u2) ∂z = qn; (1) ∑ i = 1 2 ⎡ ⎢ ⎣ ∂(ρiEi) ∂t + 1 r ∂(rρiviEi) ∂r + 1 r ∂(rεipvi) ∂r + ∂(ρiuiEi) ∂z + ∂(εipui) ∂z ⎤ ⎥ ⎦ = 0, ρi = εiρi 0, Ei = ei + (vi 2 + ui 2) ⁄ 2, n = 6ε2 ⁄ (πdp 3), ε1 + ε2 = 1, ρ2 0 = const, i = 1, 2, где vi и ui — составляющие скорости соответс- твенно в радиальном r и осевом z направлениях; ei, Ei — соответственно удельные внутренняя и полная энергии i-й фазы; fz, fr — составляющие силового взаимодействия со стороны газа на дис- персную частицу в цилиндрических координатах; q — интенсивность притока тепла к поверхности отдельной частицы; n — количество дисперсных частиц в единице объема смеси. Доля объема сме- си, занятая i-й фазой, характеризуется ее объем- ным содержанием εi. Каждой точке объема смеси ставится в соответствие средняя плотность фаз ρi, характеризующая массу фазы в единице объема, и истинная плотность фаз ρi 0, характери- зующая плотность составляющих их веществ. Ин- дексы i = 1 принадлежат газовой, а i = 2 — дис- персной фазам. Используется уравнение состояния идеального газа p = ρ1 0RT1 ⁄ µ1, (2) где R — универсальная газовая постоянная; µ1 — молекулярная масса ПД; T1 — температура га- зовой фазы. До начала истечения ПД для реагирующего потока газа в стволе ДУ применяются уравнения, полученные для внутренней энергии газа e1(T1µ1) и химического равновесия µ1(ρ1, T1) [7, 8]. После начала истечения ПД для внутренней энергии газа используется уравнение e1 = ∫ T 0 T i c1(T)dT, (3) где c1(T) — удельная теплоемкость газа при пос- тоянном его объеме; T0 = 273,15 К. Уравнение для внутренней энергии дисперс- ной фазы учитывает возможный фазовый переход (плавление частиц): e2 = ⎧ ⎨ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ∫ T 0 T 2 c2(T)dT, если T2 < T2пл, ∫ T 0 T 2 c2(T)dT + (1 – m ⁄ m2)∆h, если T2 = T2пл, ∫ T 0 T 2 c2(T)dT + ∆h, если T2 > T2пл, (4) где с2(T) — удельная теплоемкость частиц; T2 — температура дисперсной фазы; T2пл — темпера- тура плавления дисперсной фазы; m/m2 — отно- сительная доля расплавленного слоя массой m в массе частицы m2, m2 = (πdp 3ρ2 0) ⁄ 6; ∆h — удельная теплота плавления. Система уравнений (1)–(4) замыкается путем за- дания законов межфазового силового и теплового взаимодействия газовой и дисперсной фаз [9]: fz = 12 Cdρ1 0∆ν(u1 – u2) πdp 2 4 ; fr = 12 Cdρ1 0∆ν(ν1 – ν2) πdp 2 4 ; q = πdpλ1Nu(T1 – T2); ∆ν = √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯(ν1 – ν2) 2 + (u1 – u2) 2 , (5) где Cd(Re, M) — коэффициент сопротивления сфе- рических частиц диаметром dp; Re, M — числа соответственно Рейнольдса и Маха; λ1 — коэф- фициент теплопроводности газа; Nu — число Нус- сельта; ∆ν — модуль вектора относительной ско- рости газовой и дисперсной фаз. 38 9/2006 Выражения для Cd и Nu задаются в виде сле- дующих зависимостей [9]: Cd = Cd 0[1 + exp (–0,427M–4,63)] ε1 –k (k = const); Cd 0 = 24 Re + 4 √⎯⎯⎯Re + 0,4 ≤ Re ≤ 2⋅105, Re = ρ1 0∆dp η , M = ∆νa1 , a1 2 = γ p ρ1 0; Nu = 2 exp (–M) + 0,45Re0,55Pr0,33, Pr = γ c1η λ1 . (6) Здесь Cd 0 — коэффициент аэродинамического сопротивления одиночной сферической твердой частицы для условий обтекания ее безграничным стационарным потоком несжимаемой жидкости; k — коэффициент, учитывающий стесненность потока; Pr — число Прандтля; a1 и η — соот- ветственно скорость звука и динамическая вяз- кость газовой фазы; γ — показатель адиабаты газа. Граничные условия задаются следующим об- разом. На оси симметрии и стенках ствола ДУ ставятся условия непротекания газа и дисперсных частиц. До тех пор, пока ДВ не достигла откры- того конца ствола, ее параметры находятся по со- отношениям для фронта ДВ [10] (правое гранич- ное условие), с условием Чепмена–Жуге D = u1 + + a1. В плавносужающихся или расширяющихся стволах ДУ движение ДВ описывается уравнени- ем dD dt = ⎛ ⎜ ⎝ (D – u1) ∂ ln ρ1 ∂z – ∂u1 ∂z – u1 d ln S dz ⎞ ⎟ ⎠ ⁄ d ln ρs dD , (7) где S — площадь поперечного сечения ствола; ρs — плотность на фронте ДВ. После достижения ДВ открытого конца ствола ДУ на открытых границах расчетной области AB и BC (см. рис. 1) ставятся условия свободного протекания фаз, на правой границе CF, согласно [11] — условие непротекания для газовой фазы и свободного проникновения для дисперсной фа- зы, т. е. достигший преграды порошок напыляется на нее. В зависимости от исследуемой задачи на правой границе CF расчетной области может ста- виться также условие свободного протекания фаз, как и на остальных открытых границах. При изучении динамики поведения одиночных частиц порошка полагается, что ε2 = 0, а поведение частицы в нестационарном потоке ПД описыва- ется уравнениями: m2 ⎛ ⎜ ⎝ ∂u2 ∂t + 1r ∂(ru2ν2) ∂r + ∂(u2 2) ∂z ⎞ ⎟ ⎠ = fz; m2 ⎛ ⎜ ⎝ ∂ν2 ∂t + 1r ∂(rν2 2) ∂r + ∂(u2ν2) ∂z ⎞ ⎟ ⎠ = fr; m2 ⎛ ⎜ ⎝ ∂e2 ∂t + 1r ∂(re2ν2) ∂r + ∂(e2u2) ∂z ⎞ ⎟ ⎠ = q. (8) Расчет температурного поля в сферической частице, движущейся в детонационно-газовой струе, осуществляется с использованием нестаци- онарного уравнения теплопроводности ρ2c2(T) ∂Tp ∂t = 1 rp 2 ∂ ∂rp ⎛ ⎜ ⎝ ⎜ ⎜ rp 2λ2(T) ∂Tp ∂rp ⎞ ⎟ ⎠ ⎟ ⎟ , (9) где Tp(rp, t) — пространственно-временное расп- ределение температуры; rp — пространственная координата в симметричной сферической частице; λ2(T) — коэффициент теплопроводности частицы. Начальные и граничные условия для уравнения (9) задаются в виде Tp(rp, 0) = Tp 0; ∂Tp ∂rp \|r p = 0 = 0; – ⎛ ⎜ ⎝ ⎜ ⎜ λ2 ∂Tp ∂rp ⎞ ⎟ ⎠ ⎟ ⎟ \|r p = d p ⁄ 2 = α(Ts – Tg), (10) где Tp 0 — начальная температура частицы; Ts — температура поверхности частицы; Tg — темпе- ратура ПД в точке нахождения частицы; α = λ2Nu ⁄ dp 2 — коэффициент теплоотдачи. Степень расплавления частицы определяется совместным решением (9) и уравнения ρ2∆h df dt = λ2 ∂Tp ∂rp \|r p = f – 0 – λ2 ∂Tp ∂rp \|r p = f + 0, (11) где f — координата фронта плавления. На границе фазового перехода Tp(f, t) = T2пл. Численное решение задачи динамики двухфаз- ного потока выполнено методом «крупных час- тиц» [11], задачи расчета температурного поля в напыляемой частице — методом конечных раз- ностей. При проведении вычислений для ствола ДУ переменного по длине сечения использовали неравномерную по ∆r расчетную сетку (рис. 2). Рис. 2. Расчетная сетка для ствола переменного сечения 9/2006 39 На основе предложенной математической мо- дели разработан программный комплекс для компьютерного моделирования процесса детона- ционного напыления, который представляет собой набор прикладных программ для расчета парамет- ров ДВ для газовых смесей, используемых при ДНП, а также для моделирования процессов ус- корения и нагрева напыляемого порошка. Экспериментальную проверку разработанной модели поведения двухфазного потока при дето- национном напылении проводили на ДУ со ство- лом длиной 1,2 м и диаметром 20 мм. Для оп- ределения скорости частиц использовали фотодат- чики [12], для измерения температуры — термо- метры сопротивлений в виде пластинок из фольги [13, 14]. Рассмотрим некоторые результаты компь- ютерного моделирования и экспериментального исследования поведения порошковых частиц при детонационном напылении. На рис. 3 представлены экспериментальные и расчетные кривые изменения скорости частиц ни- келя от времени истечения ПД из ствола ДУ. При проведении расчетов полагали, что длина исход- ного порошкового облака в стволе составляла 0,2 м, а глубину загрузки отсчитывали от центра облака газовзвеси. Некоторое несоответствие рас- четных и экспериментальных данных связано с погрешностями измерений при использовании фо- тодатчиков. Причиной ошибок, возникающих при определении средней скорости движения частиц порошка, в основном является сложность регис- трации свечения двухфазного потока. Кроме того, различия в полученных экспериментальных и рас- четных значениях скорости частиц обусловлены такими факторами, как использование в реальных условиях полидисперсных порошков, имеющих несферическую форму (при этом более мелкие частицы фракции, движущиеся с более высокими скоростями, излучают интенсивнее крупных, что также приводит к погрешностям), сложность точ- ной локализации порошкового облака в стволе ДУ, принятые при моделировании допущения о равномерном распределении частиц в исходном порошковом облаке и др. Имеется ряд экспериментальных работ [15, 16] и др., в которых динамику ускорения как оди- ночных частиц, так и порошкового облака, ис- следовали методами лазерной визуализации. Ре- зультаты экспериментов по метанию газовзвеси частиц оксида алюминия в цилиндрической пря- мой трубе и с расширяющимся соплом [16] и со- ответствующие им расчетные кривые приведены на рис. 4. Из рисунка следует, что использованное в работе [16] сопло ДУ увеличивает скорость час- тиц Al2O3 относительно прямой трубы прибли- зительно на 30 % в случае использования смеси C2H2 + 2,5 % О2. Данные о температуре напыляемых частиц, по- лученные при эксперименте и моделировании, приведены на рис 5–8. Наблюдается их хорошее соответствие, максимальное отличие по абсолют- ной величине составляет не более 15 %. Экспе- риментально измеренные значения температуры напыляемых частиц в среднем на 200 °С ниже расчетных. Одной из причин является то, что при этом не учитывались процессы теплообмена меж- ду пластинкой с напыленным покрытием и ок- ружающей средой. Из представленных данных видно, что разра- ботанная модель хорошо описывает поведение по- рошковых частиц при детонационном напылении. Погрешность в пределах 5 % для скорости частиц (по сравнению с данными, полученными методом лазерной визуализации) и 15 % для температуры частиц можно считать приемлемой для исследо- вания и отработки режимов нагрева и движения частиц порошка в детонационно-газовой струе. С помощью разработанной математической модели проведено исследование влияния началь- ного радиального расположения частиц порошка в стволе ДУ на их последующее поведение. Мо- делировали траекторию частиц оксида алюминия, загруженных на глубину 170 мм от среза ствола Рис. 3. Зависимость скорости частиц никеля диаметром 20…40 (1, 2) и 30 мкм (3, 4) от времени истечения ПД: 1, 2 — экспериментальные данные; 3, 4 — расчетные; 1, 3 — газовая смесь C3H8 + 3,5 % О2; 2, 4 — С2Н2 + О2; ствол ДУ длиной 1,2 м и диаметром 20 мм; навеска 150 мг; глубина загрузки 600 мм; дистанция напыления 0,2 м Рис. 4. Результаты экспериментов (1, 2) [16] и моделирования (3, 4), полученные при метании частиц оксида алюминия в трубе с расширяющимся соплом (1, 3) и прямой (2, 4): 1, 3 — ствол ДУ длиной 0,75 м с соплом длиной 0,2 м и углом образующей 2,9°; 2, 4 — ствол ДУ длиной 0,95 м; газовая смесь C2Н2 + 2,5 % О2; диаметр частиц 87 мкм; глубина загрузки 300 мм; измеренения выполняли на расстоянии 35 мм от среза ствола; время от начала истечения ПД 40 9/2006 и расположенных у стенки ствола, на его оси и в промежуточном положении между осью и стен- кой ствола. Результаты моделирования представ- лены на рис. 9. Мелкодисперсный порошок, изначально рас- положенный у стенки ствола, при вылете в ок- ружающее газовое пространство увлекается рас- ширяющимся потоком газа, приобретая при этом радиальную скорость (рис. 9, а). Угол между осью ствола и траекторией движения составляет приб- лизительно 3°, что находится в хорошем соот- ветствии с экспериментальными данными [17], полученными методом сверхскоростной фоторе- гистрации. Частицы, расположенные на оси ство- ла, от прямолинейной траектории движения от- клоняются незначительно так же, как и крупно- дисперсные частицы (рис. 9, б) и частицы с боль- шей плотностью, независимо от их начального радиального положения. Характер движения час- тиц в стволе прямолинейный. С помощью нестационарного уравнения теплоп- роводности при расчетах получены пространствен- но-временное распределение температуры в напы- ляемой частице (рис. 10). Немонотонный характер распределения температуры обусловлен изменени- ем скорости ПД в стволе ДУ и уменьшением тем- пературы газа, окружающего порошок. Быстрое падение скорости газового потока за фронтом ДВ приводит к снижению числа Рейнольдса для час- тицы и соответственно числа Нуссельта, характе- ризующего теплообмен между частицами и газом (плато температуры на рис. 10). После выхода ДВ на срез и последующего истечения ПД внутрь ствола ДУ распространяется волна разряжения, обусловливающая рост скорости ПД и частиц и приводящая к интенсификации межфазового теп- лообмена. В дальнейшем по мере понижения тем- пературы ПД в процессе истечения из ствола рост Рис. 5. Зависимость температуры частиц оксида алюминия от дистанции напыления: 1 — экспериментальные данные; 2 — расчетные; ствол ДУ длиной 1,2 м и диаметром 20 мм; газовая смесь C2H2 + 1,5 % O2; диаметр частиц 10 мкм; глубина загрузки 250 мм Рис. 6. Зависимость температуры частиц никеля от диаметра частиц: 1, 2 — см. рис. 5; ствол ДУ длиной 1,2 м и диаметром 20 мм; газовая смесь C2H2 + O2 + 35 % N2; глубина загрузки 200 мм; дистанция напыления 120 мм Рис. 7. Зависимость температуры частиц оксида алюминия от объемной доли кислорода в смеси C2H2 + O2: 1, 2 — см. рис. 5; ствол ДУ длиной 1,2 м и диаметром 20 мм; диаметр частиц 10 мкм; глубина загрузки 250 мм; дистанция напыле- ния 120 мм Рис. 8. Зависимость температуры частиц никеля от объем- ного соотношения азота в смеси C2H2 + O2 + N2: 1, 2 — см. рис. 5; ствол ДУ длиной 1,2 м и диаметром 20 мм; диаметр частиц 30 мкм; глубина загрузки 200 мм; дистанция напы- ления 120 мм 9/2006 41 температуры напыляемых частиц становится ме- нее интенсивным. Выводы 1. Разработанная математическая модель позво- ляет определять пространственно-временные па- раметры потока напыляемых частиц как внутри ствола ДУ, так и в пространстве между срезом ствола и напыляемым изделием (в отличие от су- ществующих моделей), в том числе и при исполь- зовании стволов переменного сечения. Это дает возможность прогнозировать параметры напыля- емых частиц непосредственно перед взаимодейс- твием с напыляемым изделием с учетом влияния дистанции напыления. Погрешность в экспери- ментальных и расчетных данных не превышает 5 % для скорости и 15 % для температуры частиц, поэтому разработанную модель можно применять при проведении численных исследований и от- работке режимов нагрева и движения частиц по- рошка при детонационном напылении. 2. С уменьшением плотности материала частиц и их диаметра увеличивается степень их ради- ального отклонения от первоначального положе- ния. Степень радиального смещения частиц в про- цессе их движения зависит также от первоначаль- ного положения относительно оси ствола ДУ. Ра- диальное смещение частиц порошка, расположен- ных на оси ствола, незначительно, но существенно возрастает, если частицы расположены вблизи стенок ствола. 3. Разгон и нагрев частиц при детонационном напылении осуществляется в два этапа — за ДВ и в волне разряжения. Уменьшение скорости га- зового потока за фронтом ДВ приводит практически к прекращению разгона частиц и уменьшению теп- лового потока между газом и частицами. После вы- хода ДВ на срез внутри ствола ДУ распространяется волна разряжения, приводящая к увеличению ско- рости ПД и частиц порошка, а также интенсифи- кации теплообмена. 4. Данная модель распространяется на случай частичного заполнения ствола детонационной смесью, когда оставшуюся часть ствола занимает нереагирующий газ. При этом после выхода ДВ на контактную границу газовая смесь–нереагиру- ющий газ происходит распад ДВ на ударную, дви- жущуюся по нереагирующему газу, и разряжения, движущуюся в обратном направлении по ПД. 5. Модель движения и нагрева частиц порошка может быть использована в экспертных системах и системах поддержки принятия решений при про- ектировании технологических процессов детона- ционного напыления покрытий. 1. Гладилин A. М., Карпиловский Е. И., Корнев А. Д. Расчет параметров двухфазной среды в стволе детонационной установки, используемой для нанесения покрытий // Фи- зика горения и взрыва. — 1978. — № 1. — С. 123–128. 2. Исследование динамики ускорения и нагрева металли- ческих частиц за детонационной волной / В. М. Бойко, В. В. Григорьев, С. А. Ждан и др. // Там же. — 1983. — № 4. — С. 133–136. Рис. 9. Зависимость траектории движения частиц диаметром 40 (а) и 85 мкм (б) от их начального радиального R расположения от оси ствола ДУ: 1— R = 0; 2 — 5; 3 — 10 мм; газовая смесь C2Н2 + 2,5 % О2; ствол ДУ длиной 1,3 м и диаметром 20 мм; глубина загрузки 170 мм дистанция напыления 0,2 м; осевая координата отсчитывается от среза ствола Рис. 10. Профили температуры поверхности (1, 3) и центра (2, 4) частиц оксида алюминия диаметром 50 (1, 2) и 85 мкм (3, 4) вдоль оси детонационно-газовой струи; газовая смесь C2Н2 + 1,5 % O2; ствол ДУ длиной 1,2 м и диаметром 21 м; глубина загрузки 340 мм; осевая координата отсчитывается от среза ствола 42 9/2006 3. Computational code for detonation spraying process / T. P. Gavrilenko, Yu. A. Nikolaev, V. Yu. Ulianitsky et al. // Proc. of the 15th Intern. thermal spray conf., Nice, France, May 25–29, 1998. — Ohio, USA: Materials Park, 1998. — P. 1475–1483. 4. Долматов А. И., Жеманюк П. Д. Численное моделирова- ние динамики двухфазного потока в стволе детонацион- ной установки // Технолог. системы. — 2001. — № 4. — С. 12–16. 5. Кантор Л. А., Кантор С. А., Стронгин М. П. Расчет про- цесса детонационно-газового нанесения защитных пок- рытий // Физика горения и взрыва. — 1987. — № 4. — С. 131–135. 6. Нигматулин Р. И. Основы механики гетерогенных сред. — М.: Наука, 1978. — 336 с. 7. Ждан С. А., Феденюк В. И. Параметры равновесного га- зового потока в стволе детонационной установки // Фи- зика горения и взрыва. — 1982. — № 6. — С. 103–107. 8. Николаев Ю. А. Модель кинетики химических реакций при высоких температурах // Там же. — 1978. — № 4. — С. 73–76. 9. Ивандаев А. И., Кутушев А. Г., Нигматулин Р. И. Газо- вая динамика многофазных сред. Ударные и детона- ционные волны в газовзвесях. — М.: ВИНИТИ, 1981. — Т. 16. — С. 209–287. — (Итоги науки и техники. Сер. МЖГ). 10. Физика взрыва / Ф. А. Баум, Л. П. Орленко, К. П. Станю- кович и др. — М.: Наука, 1975. — 704 с. 11. Белоцерковский О. М., Давыдов Ю. М. Метод крупных частиц в газовой динамике. — М.: Наука, 1982. — 392 с. 12. Экспериментальное определение динамических характе- ристик двухфазного потока при детонационном напы- лении / В. С. Клименко, В. Г. Скадин, С. Ю. Шаривкер, Е. А. Астахов // Физика и химия обраб. материалов. — 1978. — № 3. — С. 53–57. 13. Определение температуры неэлектропроводного порош- ка при детонационном напылении / В. С. Клименко, В. Г. Скадин, С. Ю. Шаривкер и др. // Порошк. металлургия. — 1978. — № 6. — С. 78–81. 14. Определение температуры электропроводного порошка при детонационном напылении / В. С. Клименко, В. Г. Скадин, С. Ю. Шаривкер и др. // Там же. — 1978. — № 7. — С. 74–77. 15. Быстродействующая лазерная визуализация частиц, ме- таемых детонационной волной / В. М. Бойко, Т. П. Гав- риленко, В. В. Григорьев и др. // Физика горения и взры- ва. — 1983. — № 3. — С. 126–133. 16. Григорьев В. В. Использование сопла при метании час- тиц потоком продуктов газовой детонации в трубах // Там же. — 1996. — № 5. — С. 21–29. 17. Зверев А. И., Шаривкер С. Ю., Астахов Е. А. Детона- ционное напыление покрытий. — Л.: Судостроение, 1979. — 232 с. A mathematical model was proposed, describing the interaction of powder particles and detonation products inside a D-gun barrel and in the space between the barrel edge and sprayed part. Design and experimental results are compared. Features of behaviour of powder particles in detonation spraying were studied by numerical methods. Поступила в редакцию 02.06.2005 ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ СВАРКА НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ Разработана технология ЭШС высоколегированных сталей, в том числе нержавеющих, толщиной от 20 до 450 мм с применением специальных высоколегирован- ных сварочных проволок. В сочетании с флюсом марки АН-45 они обеспечивают стабильность процесса сварки, полный переход легирующих элементов в металл шва, удовлетворительное формирование шва и легкую от- делимость шлаковой корки. Технология обеспечивает требуемые свойства и высокое качество сварных сое- динений. Назначение и области применения. Технология предназначена для сварки высоколегированных сталей больших толщин, получения крупнотоннажных заготовок и изделий специального назначения из этих сталей. Применяется в энергетическом, химическом, криогенном и других областях машиностроения, при изготовлении изделий для атомной энергетики. ЭШС применяется при изготовлении имитатора космических условий, изо- термических резервуаров в ОАО «Криогенмаш», «Днеп- родзержинский химмаш», НПО «Атоммаш» и других предприятиях. Контакты: 03680, Украина, Киев-150, ул. Боженко, 11 Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, отд. № 19 Тел./факс: (38044) 289 90 87, 287 10 88 9/2006 43

Динамика движения и нагрева порошка при детонационном напылении покрытий

Репозитарії

Схожі ресурси