Моделирование и оптимизация процесса плазменного напыления тугоплавких керамических покрытий

• Автор: Обабков, Илья Николаевич
• Шифр специальности: 05.17.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 148 с.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение.

1. Модели описания процессов движения и нагрева частиц в плазменных струях.

2. Разработка трехмерной модели ускорения и разогрева частиц материалов в плазменных струях, и ее компьютерная реализация.

2.1. Общие уравнения движения и нагрева дисперсных материалов

при напылении

2.2. Одномерная и двумерная модели нагрева и движение частицы

2.2.1 Ограничения и допущения, использованные при построении

одномерной модели.

2.2.2 Уравнения движения и нагрева частицы

2.2.3 Начальные условия для одномерной модели.

2.2.4 Двумерная модель
2.3. Трехмерная модель.
2.3.1 Уравнения движения и нагрева частиц.
2.3.2 Модель плазменной струи для трехмерной модели.
2.3.3 Начальные условия.
2.4. Компьютерная реализация трехмерной модели.
2.4.1 Метод траекторий
2.4.2 Метод отдельных частиц
2.4.3 Использование методологии объектноориентированного проектирования. Структура объектов для модели
3. Исследование пригодности математической модели ускорения и разогрева частиц в плазменных струях.
3.1. Объект исследования.
3.2. Анализ и сравнение результатов физического и вычислительного эксперимента для частиц вольфрама
3.3. Проведение физического и вычислительного эксперимента но измерению скорости и температуры частиц боридов переходных металлов
3.3.1 Методика проведения эксперимента.
3.3.2 Анализ результатов эксперимента
4. Оценка влияния технологических параметров процесса плазменного напыления на разогрев и ускорение частиц
5. Исследование скорости и температуры частиц тугоплавких соединений в плазменной струе и оптимизация условий напыления
Заключение
Литература


Вторая группа относится к исследованиям конкретного процесса, с целью определения его возможностей и оптимального уровня регулируемых параметров при заданном аппаратурном оформлении для разработки систем автоматического управления. Высокоэффективное управление технологическим процессом плазменного напыления и его оптимизация позволяет существенно повысить качество наносимых покрытий, надежность и долговечность защищаемого оборудования и машин. Поэтому разработка научных основ, построение физико-математических моделей и технологических принципов напыления покрытий является актуальной задачей. Построение математической модели ускорения, нагрева и испарения частиц дисперсного материала в плазменной струе. Реализация предложенных модельных представлений и методов оптимизации в виде пакета программ для ЭВМ. Проведение эксперимента по определению скорости и температуры частиц тугоплавких боридов переходных металлов в плазменном потоке. Проведение вычислительного эксперимента на основе разработанных модельных представлений, и апробация его результатов в натурном эксперименте. Исследование численными методами влияния технологических параметров процесса плазменного напыления (мощности дуги; расхода плазмообразующего газа; расхода транспортирующего газа; угла ввода частиц в плазму; состава плазмообразующего газа; размера частиц; давления газа в камере для напыления) на скорость и температуру распыляемых частиц тугоплавких соединений. Выбор наиболее значимых факторов и расчет оптимальных условий проведения процесса напыления с учетом задаваемых ограничений. При создании новых и оптимизации существующих технологических процессов необходимы не только разработка и экспериментальное исследование, но и создание математических моделей и методов их решения и расчета. Для процессов обработки дисперсных материалов в плазменных струях в основу моделей должны быть положены процессы движения и теплообмена частиц в плазменных струях и потоках. Многофакторность и взаимосвязь параметров, определяющих эффективность этих процессов в плазме, делают целесообразным применение методов математического моделирования с использованием вычислительной техники. Электроплазменные процессы характеризуются большим количеством параметров, которые прямо или косвенно влияют на ход технологического процесса. Это способствует гибкости процессов, но в то же время создает определенные трудности при выборе оптимальных режимов [,]. Любой процесс характеризуется, как правило, входными и выходными параметрами. Для конкретного анализа параметров рассмотрим ряд процессов, близких между собой по способу их ведения, и достаточно широко распространенных, например, обработку дисперсных материалов, которая в той или иной мере включает сварку, наплавку, напыление, сфероидизацию, дисперсизацию, выращивание монокристаллов, формование изделий, плазмохимические процессы и т. Схематически такой процесс с использованием электродугового плазмотрона представлен на рис. Рис. Для точного и полного описания существа электроплазменного процесса должны быть выведены основные параметры, характеризующие конструктивные данные оборудования, режим и условия его работы, ввод и вывод материала. Все эти параметры процесса являются в основном определяющими. Конструктивные параметры плазмотрона. К — расстояние между рабочей поверхностью входного электрода и входной частью канала. К перечисленным параметрам можно добавить диаметр и материал катода, размеры катодной вставки, число секций межэлектродной вставки, расстояние между ними и их ширину. Однако эти параметры оказываю! Конструкция плазмотрона может быть иной, например плазмотроны для резки металлов имеют, как правило, одно сопло, в плазмохимических процессах используются плазмотроны одно- и двухкамерные с вихревой подачей газа и т. Параметры, характеризующие режим работы плазмотрона. Бп — способ ввода плазмообразующей среды в плазмотрон (аксиальный, тангенциальный, транспирационный, распределенный и т. Цп— к. Параметры ввода исходного материала в плазменный поток. Параметры вывода готового продукта. Ф — угол наклона плазменной струи (дуги) к поверхности подложки, кристаллизатора и т.