Температурное условие адгезии и определение температурных полей в системе "капля-подложка"

• Автор: Колесникова, Елена Александровна
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 116 с. : ил.

Содержание
Введение
1. Современное состояние проблемы взаимодействия расплавленных частиц порошковых материалов с поверхностью
1.1. Обзор проведенных исследований процесса возникновения адгезии
1.2. Морфология сплэта и ее влияние на качество адгезии
1.3. Оценки качества адгезии в системе «расплавленная частица - подложка»
1.4. Расчетные методы определения температурного поля при нанесении расплавленных частиц на подложку
2. Адгезия при кристаллизации капли на подложке
2.1. Определение контактной температуры между каплей и подложкой
2.2. Температурные условия адгезии капли на подложке
2.3. Экспериментальное определение температурных условий адгезии
3. Методика расчета нестационарного температурного поля методом выравнивания температур малых соседних кубических объемов
3.1. Обоснование методики расчета нестационарного температурного поля методом выравнивания температур малых соседних кубических объемов
3.2. Методика и алгоритм расчета температурных полей на примере тестовых задач
3.2.1. Температурное поле бесконечной пластины при неизменных величинах теплопроводности и теплоемкости
3.2.2. Температурное поле шара при неизменных величинах теплопроводности и теплоемкости
3.2.3. Температурное поле бесконечной пластины при переменных величинах теплопроводности и теплоемкости
3.3. Экспериментальное определение температур поверхности модели бесконечной пластины
3.4. Температурное поле пластины, определенное методом выравнивания температур малых соседних кубических объемов, сравнение с результатами
эксперимента
4. Динамика изменения границы фазового перехода в системе расплавленная капля - подложка
4.1. Трехмерное температурное поле в системе «капля-подложка» с учетом фазового перехода
4.2. Влияние формы сплэта на границу плавления в системе «капля-подложка»
Заключение
Литература
Введение
Технология высокотемпературного нанесения порошковых покрытий находит широкое применение в промышленном производстве [1]. Для совершенствования применяемых технологий и разработки новых технологических приемов нанесения порошковых покрытий требуется точное выполнение и поддержание условий этого процесса. Одной из наиболее важных задач является определение и выполнение условий получения качественной адгезии покрытия. По технологии нанесения порошковых покрытий в последние годы опубликованы многочисленные работы, углубляющие и расширяющие представление о термическом процессе образования покрытия из порошковых материалов. Так как покрытие формируется путем постепенного наложения расплавленных частиц друг на друга в нарастающем по толщине слое на подложку, то при воздействии частицы на подложку важным фактором, определяющим физико-химические процессы в зоне контакта, являются значения их начальных температур [1-24].
Анализ современного состояния теоретических исследований показал, что большинство работ [25-29] по адгезии металлических капли и подложки опираются на теоретическую модель зависимости отношения прореагировавших атомов к числу атомов, находящихся в контакте, от энергии активации и абсолютной температуры контакта [1]. Однако, результаты теоретических исследований лишь частично согласуются с результатами, полученными в экспериментальных работах [2,20,24,30-32]. Например, в работе [32] экспериментально показано, что адгезия капли к подложке возникает после превышения контактной температурой некоторой величины, что не соответствует теоретической модели, приведенной в [1], где степень адгезии возрастает по экспоненциальной зависимости, начиная с нулевой температуры.
Во многих экспериментальных работах условия возникновения адгезии связывают с формой затвердевшей на поверхности подложки капли (сплэта) [1,7,13,16,22-24,30,31,33-37]. Экспериментально установлено, что дисковая

Первая расчетная модель падающей на подложку капли, использовавшая уравнения Навье-Стокса в цилиндрической системе координат, была предложена Харлоу и Шенноном в работе [97]. Данная модель применима только на начальной стадии формирования сплэта, когда кинетическая энергия вносит основной вклад в процесс образования сплэта. Другая упрощенная двухмерная модель сферической капли, радиально растекающейся по поверхности основы, была разработана Мадейски и учитывала больше физических характеристик [100]. Степень растекания капли в этой модели зависела от чисел Вебера, Рейнольдса и Пекле.
До 90-х гг. прошлого века основным недостатком расчетных моделей являлось использование весьма простых математических моделей, в которых был затруднен учет различных осложняющих факторов. Это - изменение формы частицы в процессе взаимодействия с поверхностью, перемещение границы раздела фаз, зависимости теплофизических свойств используемых материалов от температуры, нелинейность граничного условия на поверхности расплава, учет теплового сопротивления на границе капля - подложка. Под перечисленные величины должны подстраиваться условия технологического процесса для получения требуемых характеристик покрытия. В большинстве работ этого времени изучался одиночный упрощенный термический цикл в контакте частица - основа. При необходимости явного выделения движущейся границы раздела фаз использовался неявный разностный метод с ловлей фронта в узел сетки. Шаг сетки вдоль оси времени принимался переменной величиной. Этот метод пригоден для решения одномерных задач.
В [110] разработана модель формирования сплэта, основанная на классической теории гетерогенной нуклеации и позволяющая предсказать температуру нуклеации и размер образующегося зерна. В этой модели также учитывались влияние материала подложки, контактное сопротивление и смачиваемость. Другая модель, описывающая взаимодействие потока капель при неравновесном затвердевании в тепловой струе, предложена в работе [122]. С помощью этой модели исследовалось влияние на скорость затвердевания сплэта