Особенности получения и обработки полых частиц в плазменных потоках

• Автор: Гуляев, Игорь Павлович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 136 с. : ил.

Содержание
Введение
1. Современное состояние проблемы
1.1 Методы газотермического напыления
1.2 Методы получения полых порошков
1.3 Применение полых порошков в газотермическом напылении
1.4 Поведение полых частиц в плазменной струе
1.5 Соударение полых капель Zr02 с основой в условиях плазменного напыления
Выводы по главе
2. Методы получения полых частиц в плазменной струе
2.1 Обработка агломерированных порошков
2.1.1 Характеристики полученных полых порошков
2.1.2 Прогнозирование размеров полых частиц при обработке агломерированных порошков
2.2 Обработка порошков субмикронпого диапазона размеров
2.3 Обработка металлических порошков с высоким газосодержанием
I Выводы по главе
3. Численный анализ поведения полых частиц в плазменной струе
3.1 Численная модель поведения полой капли в плазменной струе
3.1.1 Расчет динамики и нагрева полой частицы
3.1.2 Определение температуры и массы частицы
3.1.3 Определение текущего размера частицы
3.1.4 Распределение температуры и скорости плазменной струи
3.2 Результаты численного анализа
3.2.1 Некоторые общие выводы по результатам расчетов
3.2.2 Влияние расширения полых частиц Zr02 на их поведение в плазменной струе
3.2.3 Влияние морфологии частиц на их состояние в контрольном
сечении струи
3.2.4 Эффективность межфазного теплопереноса
3.3 Нестационарное конвективное перемешивание плотных капель
Выводы по главе
4. Соударение полой капли с подложкой
4.1 Эксперименты по формированию сплэтов Zr02
4.2 Модельные эксперименты с полыми каплями глицерина
4.3 Численно-аналитическая модель и результаты расчетов
4.3.1 Основные положения модели
4.3.2 Апробация результатов теоретической модели
Выводы по главе
Заключение
Список литературы
Приложение

Введение.
Актуальность проблемы. В современной индустрии конструкционных и защитных материалов все более широкое применение получают порошки, состоящие из полых микрочастиц (полые порошки). Так, алюмосиликатные полые микросферы (ценосферы), образующиеся при сжигании твердого топлива на тепловых электростанциях, используются в качестве наполнителя при производстве композиционных материалов с тепло- и звукоизоляционными свойствами, легких строительных и тампонажных материалов, элементов плавучести, взрывчатых материалов и т.д. Полые микросферы представляют основу для катализаторов, адсорбентов, капсулирующих сред (в частности, для извлечения гелия из природного газа некриогенным методом). Однако различия в происхождении и условиях сжигания угля приводят к неоднородности состава и свойств получаемых полых порошков, в связи с чем представляет интерес получение полых микросфер с заданным химическим составом и механическими свойствами.
К другой высокотехнологичной области применения полых порошков относится газотермическое напыление (ГТН), в частности плазменное напыление термобарьерных покрытий, где использование полых порошков приводит к более интенсивному нагреву, равномерному распределению температуры по объему частиц, снижению количества непроплавленных частиц в плазменной струе. Это позволяет применять такие сравнительно низкотемпературные методы как высокоскоростное газопламенное и детонационное напыление для нанесения керамических покрытий. Применение полого порошка при нанесении покрытий из 2Ю2 позволяет вдвое снизить теплопроводность защитного слоя, а также полностью исключить наличие моноклинной фазы 2Ю2, которая снижает термомеханическую стабильность покрытий. Упомянутые преимущества полых керамических порошков позволяют увеличить рабочую температуру и

долговечность таких ответственных деталей, как лопатки газовых турбин и реактивных авиационных двигателей.
В условиях плазменного напыления материал инжектируется в высокотемпературную струю, где происходит плавление частиц (иногда химические или структурные изменения) и их ускорение в направлении подложки, в результате чего покрытие формируется в виде слоев отдельных растекшихся и затвердевших частиц — сплэтов. В настоящее время задача получения покрытия с заданными свойствами практически всегда решается методом проб и ошибок - подбором характеристик исходного материала, режима работы плазмотрона, дистанции напыления. Вычислительный эксперимент позволяет с удовлетворительной для практических целей точностью прогнозировать поведение частиц в запыленной плазменной струе, процесс деформации одиночных расплавленных частиц при их соударении с подложкой, однако определение прочности сцепления частиц с подложкой и предыдущим слоем покрытия представляет существенные трудности. В этой связи необходимы исследования гидродинамических, тенлофизических и химических процессов, происходящих при столкновении капель расплава с основой.
Анализ публикаций, представленных в трудах международных конференций и в журналах, посвященных ГТН, показывает постоянное увеличение количества работ, в которых изучаются особенности использования полых порошков для нанесения покрытий. Большая часть из них направлена на исследование взаимодействия частиц с несущим потоком, а также сравнению характеристик покрытий, полученных из плотных и полых порошков. В то же время, проблеме формирования полых частиц, их поведения в высокотемпературном потоке и соударения с основой посвящены немногочисленные публикации. В связи с трудностями диагностики растекания полых капель при соударении с подложкой в условиях плазменного напыления (обусловленными малыми размерами,

На рис. 10 приведены фотографии и распределения по размерам порошков Zr02, полученных различными способами. Можно видеть, что в первом случае (линейный плазмотрон) обработанный порошок существенно мельче исходного: средний размер частиц составляет 20 мкм, в
распределении практически отсутствуют фракции крупнее 60 мкм. Это говорит о том, что в процессе обработки шла активная дезинтеграция агломерированных частиц. Во втором случае (двухструйный плазмотрон) средний размер частиц составляет 44 мкм, а само распределение по размерам существенно шире: присутствует значимое количество частиц в диапазоне 10-85 мкм.
»dMW400, %

О VI © */~1 О О V, О V. © V, о V © V ©
-»1 ({N/N*100, %

') , цт
О VI © V. С V © V» © V. © V, О V, р V, © - О) О! ГЛ ф Ч (Г, 1Л. Г- X X У

Рис. 10. Внешний вид и распределение по размерам частиц порошка ZrOг, прошедшего обработку в плазменной струе линейного (а) и двухструйного плазмотрона (б).