Теплофизика и теплообмен при формировании защитных покрытий низкотемпературным газодинамическим методом

В технике решения проблем повышения надежности и долговечности машин и механизмов, экономного использования материалов, энергии и трудовых ресурсов имеют особое значение. Эти проблемы связаны с обеспечением эффективной защиты поверхности деталей и конструкций от коррозии и изнашивания. В настоящее время около 30% ежегодной выплавки металлов расходуется на восполнение потерь, вызванных указанными факторами /1/.

Борьба с проблемой коррозии и изнашивания осложнена тем, что использование объемно — легированных материалов, являвшееся в последнее столетие основным способом решения этой проблемы, становится все более проблематичным из-за истощения запасов легирующих элементов. Кроме того, по мере развития и совершенствования техники постоянно повышаются требования к изделиям и условиям их эксплуатации. Это выражается в постоянном увеличении скорости, температуры, механических нагрузок, агрессивности рабочих сред. Сегодня в промышленности до 50% машин и металлоконструкций эксплуатируются в сильно агрессивных средах. Около 40% - изделий работают в слабо агрессивных средах, лишь около 15% - в неагрессивных средах 121.

В настоящее время темпы развития промышленности таковы, что применение традиционных конструкционных материалов уже не в состоянии решить проблему увеличения ресурса в экстремальных условиях эксплуатации техники. В связи с этим целесообразно искать принципиально новые научные подходы к выбору конструкционных материалов и их защиты, начиная со стадии проектирования. Например, применение конструкционных материалов на основе тугоплавких металлов, таких как молибден, вольфрам, тантал, ниобий и др. вообще невозможно без защитных покрытий. Обладая необходимыми механическими свойствами при высоких температурах, эти материалы окисляются уже при нагреве до 1000.1200К.

Поэтому использование антикоррозионных, износостойких и других видов покрытий в технике может существенно снизить материальные, энергетические и трудовые затраты на эксплуатацию машин и механизмов, сократить простои оборудования, увеличить выпуск продукции, повысить ее качество и ресурс, значительно уменьшить расход легирующих сталей и сплавов. Это обуславливает значимость проблемы формирования защитных покрытий как радикального пути повышения долговечности деталей машин, механизмов и металлоконструкций.

Применение функциональных покрытий позволяет реализовать принципиально новый подход к использованию конструкционных материалов. Научная концепция этого подхода заключается в том, что механическая прочность конструкции гарантируется свойствами материала основы. Сопротивление же воздействию внешних факторов (коррозии, износу, термическим, химическим, радиационным и другим нагрузкам) достигается локальным формированием на поверхности широкой гаммы (по составу и назначению) тонких слоев покрытий из других материалов. В результате, обеспечивается повышенная долговечность металлоконструкции даже в экстремальных условиях эксплуатации. При использовании защитных покрытий проявляются другие полезные качества такие как, снижение массы изделий, улучшение механических, тепло-физических, электрических и других свойств. Реализуется экономия дорогих легирующих элементов.

В результате применения разнофункциональных покрытий могут быть созданы изделия с уникальным сочетанием свойств, недостижимым при использовании традиционных конструкционных материалов. Например, можно в несколько раз повысить жаропрочность и термостойкость конструкции, достичь в необходимых случаях аморфного состояния рабочей поверхности деталей и др. Все это улучшает эксплуатационные характеристики изделий в целом.

Вышесказанное объясняет все возрастающий интерес к проблеме синтеза покрытий многофункционального назначения. Например, создание покрытий с высокой термостойкостью и жаропрочностью, позволит решить проблему тепловой защиты гиперзвуковых летательных аппаратов (ГиЛА) многократного использования /3/.

Высокое качество таких покрытий позволит решить важнейшую проблему защиты ГиЛА от механической эрозии при полете в пылевых и дождевых облаках /4/.

Все это определяет актуальность проблемы, необходимость разработки научных основ (высоких технологий) формирования защитных покрытий.

Сегодня разработано множество способов нанесения покрытий. Например, диффузионное насыщение — термическая технология. Это наиболее старый и широко используемый метод нанесения покрытий. Однако его применение сдерживается необходимостью нагрева изделия до высоких температур, что вызывает их термическую деформацию. Кроме того, технологический процесс этого метода не позволяет создавать местные покрытия на изделиях сложной формы.

Подобные недостатки характерны и для методов осаждения покрытий из паровой и газовой фаз.

Электрохимический метод нанесения покрытий ограничен выбором материалов, длительностью технологического процесса, низким качеством покрытия и высокой себестоимостью.

Низкое качество покрытий, обусловленное перемешиванием материала основы с материалом покрытий, сдерживает широкое внедрение в промышленности технологию электроискрового метода.

Вот почему в настоящее время среди разнообразных технологий нанесения защитных покрытий интенсивное развитие получают наукоемкие газотермические методы. К группе промышленно развитых газотермических методов нанесения покрытий относят электродуговой, газопламенный, плазменный и детонационный. Все они объединены единым принципом формирования покрытий с использованием гетерогенных потоков. В результате покрытие формируется из отдельных частиц (порошка), нагретых и ускоренных с помощью высокотемпературной газовой струи (газа-носителя). Структура покрытий, полученных этими методами, слоистая, образована дискретными частицами с более или менее выраженными границами раздела.

Значительная скорость истечения струи в сочетании с высокими температурами в газотермических методах, а также возможность мобильного регулирования компонентного состава струи (инертная, восстановительная, окислительная), способствуют формированию широкого спектра разнофункциональных покрытий — от обычных и тугоплавких металлов, оксидов, карбидов, боридов и т. п., до пластмасс.

Газотермические технологии обладают высокой производительностью. Так, производительность детонационного метода — килограммы, газопламенного и плазменного — десятки килограммов, электродуговой металлизации — до сотни килограммов массы порошка в час. Толщина газотермических покрытий — от десятков микрометров до нескольких миллиметров. Газотермические технологии позволяют наносить покрытия как на локальные участки конструкций, так и на большие поверхности.

Эти преимущества обуславливают высокую универсальность газотермических методов. Они позволяет наносить покрытия с широким спектром назначения: износостойкие, коррозионностойкие, теплозащитные, электроизоляционные, электросверхпроводящие слои и др. Кроме того, эти технологии позволяет восстанавливать изношенные детали. При помощи этих методов созданы принципиально новые технологии получения новых материалов. Например, газотермическая плазменная технология впервые в практике металлургии решила задачу барьера несовместимости отдельных металлов и их производных. Созданы материалы с принципиально новыми свойствами (интерметаллиды, металлокерамики и др.).

Однако, при всей простоте и мобильности указанных выше методов, они обладают рядом существенных недостатков, связанных, прежде всего, с использованием высокотемпературной (несколько тысяч градусов) газовой струи, которой характерна высокая химическая агрессивность. Последнее оказывает необратимое отрицательное воздействие на исходные компоненты создаваемого покрытия и, как следствие этого, снижает его качество. Это объясняется наличием фазовых переходов вследствие высокой температуры газа-носителя и возникновения гомогенных и гетерогенных химических реакций, которые недопустимы в технологическом процессе формирования покрытия. Для ликвидации этих последствий, например, в плазменном методе, используются инертные дорогостоящие газы (аргон, гелий, ксенон и др.), что увеличивает стоимость реализации данного метода и себестоимость продукта. Кроме этого, создание высокотемпературной струи требует значительных электрических мощностей.

Для газопламенного и детонационного методов устранение химической агрессивности высокотемпературной газовой струи невозможно. Это делает применение этих методов непригодными для получения высококачественных металлических покрытий.

В силу отмеченных причин, указанные газотермические технологии нанесения защитных покрытий в целом выполняют свое назначение, однако их производительность, качество покрытий, себестоимость оставляют желать лучшего. Задача улучшения этих технологий в последнее десятилетие интенсивно решалась рядом зарубежных и отечественных фирм и НИИ. При этом концепция дальнейшего совершенствования технологий связывалась непосредственно с увеличением скорости гетерогенных потоков до скорости, в два и более раз превышающей скорость звука. Однако эти поиски только частично решили задачу повышения качества покрытий, расширили их спектр, но не достигли их высокой надежности.

Решение этой задачи станет возможным только в случае устранения в высокотемпературном газе-носителе межфазного массообмена, т. е. гомогенных и гетерогенных химических реакций. Последнее, как известно, можно исключить только двумя способами:

— использованием в качестве газа-носителя дорогих инертных газов;

— существенным снижением температуры газа-носителя до 600.800К.

Последний способ не приемлем для традиционных газотермических методов.

Логическим совершенствованием газотермических методов является низкотемпературный газодинамический метод нанесения покрытий (НТГДМ). Метод разработан в начале 90-х годов в МАИ (кафедра 204), патент № 2 082 823 от 17.06.91 «Способ получения покрытий». Метод апробирован на созданной опытной лабораторной установке /5. 19/. Разработанные на лабораторном оборудовании технологии формирования покрытий в дальнейшем получили наименование НТГДМ — технологий.

Предложенный метод и НТГДМ — технологии имеет ряд преимуществ перед альтернативными газотермическими методами. Он выгодно отличается и от широко используемых в промышленности традиционных металлотермических методов нанесения покрытий, таких как оцинкование, омеднение, алюминирование и т. п.

Проведенные оценки показывают, что при высоком качестве покрытий, превосходящем традиционные покрытия по всем параметрам, производительность НТГДМ в разы превышает используемые промышленные методы. При этом энергозатраты на формирование покрытий НТГДМ — технологией более чем в два раза ниже. Наряду с указанными газотермическими методами в НТГДМ для формирования покрытий также использует сверхзвуковые гетерогенные потоки. Однако исходная температура газа-носителя значительно меньше температуры плавления материала покрытия. Ее изначальный уровень рассчитывается таким, чтобы в специальном канале-ускорителе разогнать гетерогенную смесь (газ + порошок) да необходимой сверхзвуковой скорости. В итоге, при соударении высокоскоростных частиц с твердой поверхностью, в результате диссипации кинетической энергии частиц, на поверхности формируется высококачественное покрытие.

Полученные значительные результаты нанесения покрытий НТГДМ-технологией обусловлены тем, что этот метод наукоемкий. Его физическая сущность строится на базе использования таких фундаментальных наук, как термо — газодинамика гомогенных и гетерогенных сверхзвуковых потоков, теории тепломассообмена, теории и практики взаимодействия сверхзвуковых гетерогенных потоков с преградой /19/.

В связи с указанным, дальнейшее исследование механизма формирования разнофункциональных покрытий низкотемпературным газодинамическим методом, является важной, актуальной научной и прикладной задачей.

Целыо данной диссертациоииой работы являлось: исследование процессов теплои массообмена, сопутствующих формированию защитных покрытий низкотемпературным газодинамическим методом.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи: проведение критического анализа газотермических методов и альтернативного им низкотемпературного газодинамического метода с целыо выявления положительных и отрицательных факторов, возникающих при формировании покрытий;

— раскрытие физических основ низкотемпературного газодинамического метода и способы его реализации. Определение методов диагностики параметров высокоскоростных гетерогенных потоков;

— анализ общей и разработка инженерной математической модели градиентного течения гетерогенной смеси при наличии межфазного теплообмена;

— анализ механизма взаимодействия сверхзвукового гетерогенного потока с поверхностью. Представление физической модели — динамики удара высокоскоростной частицы о твердую поверхность. Составление уравнения баланса энергии в зоне удара. Разработка алгоритма оценки локальной температуры частицы и подложки в зоне удара;

— анализ влияния параметров сверхзвукового гетерогенного потока на эффективность формирования покрытий;

— разработка и апробация алгоритма расчета элементов газодинамического тракта и параметров течения гетерогенной смеси в них.

Цель работы соответствует пунктам перечня «Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники», утвержденного Президентом Российской Федерации 21.05.2006:

— индустрия наносистем и материалов;

— транспортные, авиационные и космические системы;

— энергетика и энергосбережение;

— порошковые технологии;

— нанотехнологии.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

В результате выполненных в работе исследований и анализа полученных данных можно сделать следующие основные выводы.

1. Проведен анализ физической сущности НТГДМ. На базе результатов анализа спроектирована и смонтирована установка лабораторного типа с широким диапазоном изменения параметров. Отработаны научные основы НТГДМ — технологий нанесения разнофункциональных покрытий на поверхности разных форм.

2. Предложены и апробированы методы и средства диагностики сверхзвуковых гомогенных и гетерогенных потоков, а также теплофизических характеристик покрытий. Надежность методов подтверждена экспериментально и в сопоставлении с данными других исследователей.

3. Разработана общая математическая модель и программа расчета течения гетерогенной смеси в дои сверхзвуковых ускорителях при наличии межфазного теплообмена. Проведены оценочные расчеты параметров сверхзвукового течения в укорителях разных профилей (осесимметричные конические, осесимметричные поворотные, плоские и др.). Сопоставление расчетных данных с результатами экспериментальных исследований, полученных с использованием ЛДИС, показало удовлетворительное соответствие результатов.

4. На базе анализа общей математической модели течения, разработана упрощенная (инженерная) математическая модель газодинамики течения и межфазного теплообмена гетерогенной смеси в ускорителях. Сопоставление параметров течения, полученных по общей и упрощенной моделям, показало удовлетворительную корреляцию.

5. Проведен анализ течения гетерогенной смеси в ускорителях (микросоплах) с большим удлинением с учетом нарастания пограничного слоя вдоль стенок канала. Отмечено, что смыкание пограничного слоя внутри канала является отрицательным фактором, оказывающим сильное влияние на термо-газодинамические параметры гетерогенного потока. Определены пути устранения этого фактора.

6. Проведен анализ газодинамики течения и межфазного теплообмена при натекании сверхзвукового гетерогенного потока на плоскую преграду (стенку). Разработана математическая модель, описывающая движение частиц при преодолении ударной волны и сжатого слоя, образующихся у обрабатываемой поверхности. Получены соотношения для оценки влияния этих участков на изменение скорости частиц перед процессом формирования покрытия.

7. Разработана математическая модель процесса взаимодействия высокоскоростных частиц с твердой поверхностью. Получено соотношение для оценки длительности удара. Составлен алгоритм расчета параметров в зоне удара частицы о подложку. Проведена оценка уровня динамического давления, реализуемого при ударе, а также величины локальных температур частиц и подложки в зоне удара.

8. С целью разработки научных основ НТГДМ-технологии проведен анализ влияния различных факторов на эффективность формирования покрытий и их качество.

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ. азв — скорость звука, м/са= /у — коэффициент температуропроводности, м2/с- / Р'%.

Вх — монохроматическая яркость излучения нагретого тела,.

С — удельная теплоемкость, Дж/(кг К);

С/ - коэффициент аэродинамического трения;

С, — относительная массовая концентрация ьго компонента;

1 — диаметр, м;

О — коэффициент диффузии, м2/с;

Еа — энергия активации, Дж/(кг атом) — Б — площадь поперечного сечения канала, м2- И — расстояние от ударной волны до преграды, м;

— энтальпия образования Iго компонентаН — расстояние от среза сопла до преграды, мсК = срсГГ — термодинамическая, статическая энтальпия, Дж/кг;

I, =с ?(1Т+полная энтальпия 1 — го компонента, Дж/кг;

А/' к —у — коэффициент адиабаты- / Ч.

Ь — удельная теплота плавления вещества, Дж/кг- - характерный размер, мш — масса частицы, кгр. — молярная масса газа, кг/мольполное количество частиц I — го компонента в объемер — давление, Парн — давление окружающей среды (статическое давление), Па- <3 — количество теплоты, Дж;

Я — плотность теплового потока (удельный тепловой поток), Вт/м2- Яу — плотность внутренних источников тепловыделения, Вт/м2- Я — постоянная рода газа, Дж/(моль гр) — радиус, м- 8314Д3// ^ - универсальная газовая постояннаяг — текущий радиус, м;

9 2.

5>сег = 71-г — площадь контакта частицы с подложкой, м ;

Т — температура, К;

Тотемпература заторможенного потока, КТг — статическая температура потока, Кир — скорость падения частиц на преграду, м/си, у, — скорости потока по декартовым координатам х, у, г соответственно, м/с;

Х|= ^'у — мольная концентрация — го компонента- / Рем хс = (Н — И) — длина от среза сопла до ударной волны, му, а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м К) — А — толщина сжатого слоя, м;

3 — толщина стенки, мтолщина пограничного слоя, мУ — угол разворота потока в градусах;

V — коэффициент кинематической вязкости, м /счастота собственных колебаний атомов, с" 1;

0 — безразмерная температураугол наклона стенки сопла в градусах;

Я — коэффициент теплопроводности, Вт/м грАср — приведенная скорость на срезе соплао.

Л — коэффициент динамической вязкости, Н сек/м — р — плотность, кг/м ;

— 8 2 4.

7 — коэффициент излучения абсолютно черного тела (сг = 5,7 • 10 Вт/м ¦ К) — £н, — степень черноты поверхности тела;

7 т — коэффициент поверхностного натяжения, Па;

— относительная шероховатость поверхности- - скорость пластической деформации-? — степень деформации частицыт- время, сгЛ — время полета частицы от ударной волны до преграды, стт — характерное время нагрева частицы до температуры среды, сТ^ - касательное напряжение трения, Па;

Рнач ~ угловая координата висячего скачкафч — коэффициент релаксации скорости частиц- <рт — коэффициент релаксации температуры частицКритерии подобия:

Критерий Био, т = —у— 5.

Критерий Льюиса, Ье = Ргаз' ^р'газ' °и — Критерий Маха, М = —- а.

X 1 X.

Критерий Нуссельта, N11 № = —- v.

Критерий Прандтля, Рг№ = —: — я.

Критерий Рейнольдса, Яе = Ргаз и''х — и.

Индексы. с, р — параметры на срезе соплак — фракции частицр — параметры частиц;

— параметры на стенкео — параметры торможения- * - параметры в критическом сечении соплаГ — параметры потокагаз. — параметры газа.