Отправить статью по E-mail Визуализация газодинамической структуры плазменных потоков напылительного плазмотрона «пнк-50» теневым методом
- Авторы: Гуляев И.П.1, Кузьмин В.И.1, Голубев М.П.2, Тырышкин П.А.1, Долматов А.В.3,4
-
Учреждения:
- Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт теоретической и прикладной механики имени С.А. Христиановича" Сибирского отделения Российской академии наук Лаборатория «Физики плазменнодуговых и лазерных процессов»
- Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт теоретической и прикладной механики имени С.А. Христиановича" Сибирского отделения Российской академии наук Лаборатория «Волновых процессов в сверхзвуковых течениях»
- Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Югорский государственный университет"
- Институт (НОЦ) технических систем и информационных технологий
- Выпуск: Том 14, № 4 (2018)
- Страницы: 61-68
- Раздел: Статьи
- URL: https://vestnikugrasu.org/byusu/article/view/10808
- DOI: https://doi.org/10.17816/byusu20180461-68
- ID: 10808
Цитировать
Полный текст
Аннотация
В работе представлены исследования газодинамической структуры воздушных плазменных потоков, формируемых напылительным плазмотроном «ПНК-50», с помощью теневого (шлирен) метода. Изучена работа плазмотрона в трех различных конфигурациях, отличающихся, кроме прочего, диаметром выходного сечения канала: 6, 8, 10 мм. Исследованы дозвуковые и сверхзвуковые режимы работы плазмотрона в диапазоне расхода плазмообразующего воздуха 1.4-10.5 г/с и в диапазоне токов дуги 140-230 А. Во всех типичных режимах работы плазмотрона поток имеет развитую турбулентную структуру с полным углом раскрытия струи 23-27 градусов. Дополнительный режим работы плазмотрона с выходным диаметром сопла 14 мм позволил реализовать ламинарный режим течения. Установлено, что ламинарно-турбулентный переход наблюдается в диапазоне чисел Рейнольдса 400-900. Визуализирована картина натекания сверхзвукового потока на плоскую преграду - подложку для напыления, расположенную на дистанции 85 мм от среза сопла плазмотрона.
Ключевые слова
Полный текст
Введение
Развитие методов газотермического напыления (ГТН) в последнее десятилетие связано с увеличением скоростей напыляемых частиц с целью повышения таких характеристик покрытий, как плотность, твердость, адгезионная прочность, коррозионная стойкость и т. д. Ориентирами в этой области являются методы высокоскоростного газопламенного (HVOF, HVAF) и детонационного напыления, в которых газовые потоки со скоростью 2–2,5 км/с обеспечивают ускорение частиц материала до 500–800 м/с и выше [1]. Однако успехи разработки сверхзвуковых атмосферных плазмотронов в последние годы [2–4] демонстрируют, что плазменное напыление способно обеспечить сопоставимые параметры частиц дисперсной фазы и качество покрытий. Кроме того, в последние годы получила мощнейшее развитие технология плазменного напыления суспензий и жидких прекурсоров (SPS и LPPS) [5], в которой для формирования покрытий из частиц малого размера (0,1–5 мкм) требуется повышение их скорости до 500 м/с и выше. В частности, метод SPS может применяться для нанесения газоплотных слоев электролитов на планарные и трубчатые элементы твердооксидных топливных элементов [6].
В Институте теоретической и прикладной механики СО РАН в 2016–2018 годах был создан сверхзвуковой вариант напылительного плазмотрона «ПНК-50» [7, 8], позволивший достигнуть средних значений скорости напыляемых частиц 600–800 м/с, которые сравнимы с показателями наиболее высокоскоростных методов ГТН. В ходе разработки нового оборудования и технологических режимов напыления важнейшее значение имели не только исследования параметров напыляемых частиц [9–11] и качества получаемых покрытий [12, 13], но и анализ газодинамической структуры плазменных потоков в различных режимах работы плазмотрона.
Целью работы является исследование газодинамической структуры воздушных плазменных потоков теневым (шлирен) методом, выполнявшееся в ходе разработки новой конфигурации плазмотрона «Сверхзвук». Экспериментальные результаты могут быть использованы для верификации аналитических и численных моделей газодинамики и межфазного переноса дисперсных плазменных потоков.
Оборудование и методика эксперимента
Эксперименты проводились на лабораторном стенде ИТПМ СО РАН, оснащенном электродуговым плазмотроном «ПНК-50», входящем в состав напылительной установки серии «Термоплазма 50» и приведенным на рисунке 1. Плазмотрон выполнен по линейной схеме с секционированной межэлектродной вставкой и рассчитан на работу в дозвуковом и сверхзвуковом режимах истечения плазменных струй.
Рисунок 1 – Внешний вид экспериментальной установки
В работе были использованы три конфигурации плазмотрона «ПНК-50», отличающиеся длиной межэлектродного расстояния и геометрией выходного сопла. Конфигурация «Керамика» (выходной диаметр сопла 10 мм) обеспечивает наиболее низкую скорость и высокую температуру плазмы и предназначена для напыления самых тугоплавких материалов. Конфигурация «Металл» (диаметр сопла 8 мм) обеспечивает более высокую скорость потока и предназначена для напыления металлических покрытий. Конфигурация «Сверхзвук» (выходной канал в виде сопла Лаваля с диаметром критического сечения 6 мм) создана с целью обеспечения параметров потока, близких к технологии HVOF (2000–2400 м/с, 2500–2800 К). Была исследована работа плазмотрона при значениях полного расхода газа в диапазоне 1,4–10,5 г/с и тока дуги в диапазоне 140–230 А. Рабочий газ во всех случаях был воздух с добавкой 5–8 % метана для защиты анода.
Таблица – Основные параметры плазменных потоков
Расход пл. газа, г/с | Ток / напряж. дуги, А | Температура потока, К | Скорость потока, м/с | Число |
Конфигурация «Керамика» (d=10 мм) | ||||
1.40 | 140/218 | 6000 | 400 | 950 |
1.75 | 200/230 | 6400 | 570 | 1150 |
2.63 | 200/250 | 5700 | 690 | 1900 |
4.29 | 200/290 | 4700 | 870 | 3700 |
Конфигурация «Металл» (d=8 мм) | ||||
2.63 | 200/192 | 5000 | 900 | 2650 |
3.50 | 200/223 | 4400 | 1050 | 4000 |
4.38 | 200/238 | 4000 | 1150 | 5400 |
5.25 | 200/250 | 3700 | 1200 | 7050 |
Конфигурация «Сверхзвук» (d=6 мм) | ||||
5.25 | 200/227 | 3600 | 2080 | 9700 |
7.88 | 200/272 | 3200 | 2220 | 13800 |
10.50 | 200/310 | 2800 | 2380 | 17300 |
Для визуализации газодинамической структуры потоков был использован теневой прибор ТП-АВТ-1 (ИТПМ СО РАН) [14, 15]. Для увеличения чувствительности диагностической системы (возможности регистрировать малые изменения плотности потока на фоне более сильных возмущений) в приборе вместо традиционного ножа Фуко используется адаптивный визуализирующий транспарант (АВТ) [16, 18]. В качестве источника зондирующего излучения использовался лазер KLM-A532-5-5 («ФТИ-Оптроник») с длиной волны 532 нм [19]. Регистрация теневых изображений осуществлялась с помощью видеокамеры Sensicam (PCO AG, Германия) c временем экспозиции кадра 1-1.875 мкс по известной методике [21].
Для каждого режима работы плазмотрона по методике [17, 20] были рассчитаны значения среднемассовой температуры и скорости потока, а также числа Рейнольдса, определенному по выходному диаметру сопла. В таблице представлены результаты оценки параметров потока для различных расходов газа при токе 200 A. Значения скорости и температуры потока округлены с точностью до десятков и сотен соответственно.
Рисунок 2 – Теневые изображения плазменных потоков, формируемых плазмотроном в конфигурации «Керамика» (диаметр сопла 10 мм)
Результаты диагностики
На рисунках 2–4 показаны характерные теневые изображения плазменных потоков, соответствующих изученным режимам работы плазмотрона. Как можно видеть, даже в случае сборки «Керамика» при использовании минимального расхода газа плазменный поток имеет развитую турбулентную структуру (рисунок 2). Угол раскрытия струи составляет 23–27 градусов.
Рисунок 3 – Теневые изображения плазменных потоков, формируемых плазмотроном в конфигурации «Металл» (диаметр сопла 8 мм)
В режимах с наиболее высоким значением среднемассовой температуры газа (низкий расход газа, высокий ток дуги) можно наблюдать ядро струи, выходящее на расстояние 20–50 мм от среза сопла. Именно высокая температура на уровне 5000–7000 К обуславливает интенсивное собственное излучение ядра в непрерывном и полосатом спектре.
Сравнение изображений на рисунках 2–4 показывает, что повышение скорости истечения плазменного потока (и числа Рейнольдса) приводит к снижению характерного размера неоднородностей турбулентной структуры струи. Эти неоднородности связаны с градиентами плотности газа, возникающими при перемешивании «горячего» потока с «холодной» окружающей атмосферой.
Можно заметить, что на снимках рисунка 4 не видна волновая структура скачков уплотнения – дисков Маха, характерная для сверхзвуковых струй, истекающих в нерасчетном режиме, т. е. при отличии давления в выходном сечении сверхзвукового сопла от давления окружающей атмосферы. При этом упомянутые скачки отчетливо видны на обычных фотоснимках сверхзвуковой плазменной струи [7].
Рисунок 4 – Теневые изображения плазменных потоков, формируемых плазмотроном в конфигурации «Сверхзвук» (диаметр сопла 6 мм)
Рисунок 5 – Зависимость структуры воздушного плазменного потока от числа Рейнольдса: а) ламинарный, б) переходной, в-г) турбулентный
Из теневых картин на рисунках 2–4 видно, что режим истечения плазменных струй во всех типичных режимах напыления плазмотрона «ПНК-50» является турбулентным. Для реализации ламинарного режима необходимо снизить скорость (расход) газа и/или увеличить выходной диаметр сопла. На Рисунке 5 показано изменение структуры плазменного потока при последовательном повышении числа Рейнольдса с 400 до 13800. Как можно видеть, ламинарно-турбулентный переход происходит ориентировочно в диапазоне Re=400–900. При Re=950 ламинарный участок струи имеет длину около 25 мм, далее происходит турбулизация потока.
Взаимодействие высокоскоростной турбулентной плазменной струи с плоской преградой представляет отдельный интерес в контексте технологии плазменного напыления покрытий. На Рисунке 6 показаны картины натекания сверхзвукового потока (сопло 6 мм, 10,5 г/с, 230 А) на плоские круглые подложки диаметром 25 мм, расположенные на расстоянии 85 мм от сопла плазмотрона под углами 90–120 градусов. Такая геометрия соответствует типичным условиям напыления в технологиях SPS и LPPS. На представленных снимках виден пограничный слой, формируемый вблизи поверхности подложки: область, в которой масштаб турбулентных неоднородностей заметно ниже, чем в основном объеме плазменной струи. Толщина пограничного слоя составляет около 6 мм.
Рисунок 6 – Теневая визуализация натекания плазменного потока на преграды (подложки), расположенные под различными углами к оси потока
Выводы
Проведенные исследования позволили получить экспериментальные данные о газодинамической структуре плазменных потоков, формируемых плазмотроном «ПНК-50»в трех различных конфигурациях, отличающихся, кроме прочего, диаметром выходного сечения канала: 6, 8, 10 мм. Исследованы дозвуковые и сверхзвуковые режимы работы плазмотрона в диапазоне расхода плазмообразующего воздуха 1,4–10,5 г/с и в диапазоне токов 140–230 А. Во всех типичных режимах работы плазмотрона поток имеет развитую турбулентную структуру с полным углом раскрытия струи 23–27 градусов. Дополнительный режим работы плазмотрона с выходным диаметром сопла 14 мм позволил реализовать ламинарный характер течения. Установлено, что ламинарно-турбулентный переход наблюдается в диапазоне чисел Рейнольдса 400–900. Толщина пограничного слоя на поверхности плоской преграды (подложки для напыления), расположенной на расстоянии 85 мм от среза сопла плазмотрона, составляет 6 мм.
Об авторах
Игорь Павлович Гуляев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт теоретической и прикладной механики имени С.А. Христиановича" Сибирского отделения Российской академии наук Лаборатория «Физики плазменнодуговых и лазерных процессов»
Автор, ответственный за переписку.
Email: gulyaev@itam.nsc.ru
Кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник
Россия, 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, д.4/1Виктор Иванович Кузьмин
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт теоретической и прикладной механики имени С.А. Христиановича" Сибирского отделения Российской академии наук Лаборатория «Физики плазменнодуговых и лазерных процессов»
Email: vikuzmin57@mail.ru
Кандидат технических наук, старший научный сотрудник
Россия, 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, д.4/1Максим Павлович Голубев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт теоретической и прикладной механики имени С.А. Христиановича" Сибирского отделения Российской академии наук Лаборатория «Волновых процессов в сверхзвуковых течениях»
Email: golubevmp@itam.nsc.ru
Кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник
Россия, 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, д.4/1Павел Андреевич Тырышкин
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт теоретической и прикладной механики имени С.А. Христиановича" Сибирского отделения Российской академии наук Лаборатория «Физики плазменнодуговых и лазерных процессов»
Email: p.tyryshkin@g.nsu.ru
Лаборант лаборатории
Россия, 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, д.4/1Алексей Викторович Долматов
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Югорский государственный университет"; Институт (НОЦ) технических систем и информационных технологий
Email: ADolmatov@bk.ru
Кандидат технических наук; Доцент
Россия, 628012, г. Ханты-Мансийск, ул. Чехова, 16Список литературы
- Fauchais, P. L. Thermal Spray Fundamentals: From Powder to Part [Text] / P. Fauchais, J. V. R. Heberlein, M. I. Boulos. - New York : Springer, 2014. - 1566 p.
- Effect of Processing Parameters on Plasma Jetand In-flight Particles Characters in Supersonic Plasma Spraying [Text] / P. Wei [et al.] // High Temperature Materials and Processes. - 2015. - Vol. 35, iss. 8. - P. 775-786.
- Plasma torch for supersonic plasma spray at atmospheric pressure [Text] / F. R. Caliaria [et al.] // Journal of Materials Processing Technology. - 2016. - Vol. 237. - P. 351-360.
- Verlotski, V. Coatings of Carbide-Metal Systems (Cr3C2-NiCr and WC-Co-Cr) Deposited by High-Velocity Atmospheric Plasma Spraying from Specially Modified Fine-Grained Powders [Text] / V. Verlotski // Journal of Thermal Spray and Engineering. - 2018. - Vol. 1 (1). - P. 18-23.
- What Do We Know, What are the Current Limitations of Suspension Plasma Spraying? [Text] / P. Fauchais [et al.] // Journal of Thermal Spray Technology. - 2015. - Vol. 24, iss. 7. - P. 1120-1129.
- Compact solid oxide fuel cells and catalytic reformers based on microtubular membranes [Electronic resource] / M. P. Popov [et al.]. - Electronic text data // Catalysis Today. - 2018. - Mode of access: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0920586118315244?via%3Dihub (14.11.2018). - doi: 10.1016/j.cattod.2018.11.009.
- Optical study of supersonic jet structure in atmospheric plasma spraying [Text] / I. P. Gulyaev [et al.] // XIX International Conference on the Methods of Aerophysical Research (ICMAR 2018) (13-19 August, 2018, Novosibirsk). - Novosibirsk, 2018. - Pt. 1. - P. 030066. - doi: 10.1063/1.5065160.
- Особенности формирования износостойких покрытий с помощью сверхзвукового плазмотрона [Текст] / В. И. Кузьмин [и др.] // Пленки и покрытия-2017 = Films and Coatings-2017 : труды 13-й международной конференции, Санкт-Петербург, 18-20 апреля 2017 г. - Санкт-Петербург, 2017. - С. 97-100.
- Arc-Plasma Wire Spraying: An Optical Study of Process Phenomenology [Text] / I. P. Gulyaev [et al.] // Journal of Thermal Spray Technology. - 2015. - Vol. 24, iss. 8. - P. 1566-1573. - doi: 10.1007/s11666-015-0356-6.
- Анализ и оптимизация газотермического напыления по скорости и температуре конденсированной фазы потока [Текст] / А. В. Долматов [и др.] // Теплофизика и аэромеханика. - 2017. - Т. 24, № 1 (103). - С. 83-94.
- Gulyaev, I. P. Diagnostic system «Yuna» for disperse phase properties control in plasma and laser powder deposition processes [Text] / I. P. Gulyaev, A. V. Dolmatov // International Congress «Energy Fluxes and Radiation Effects» (EFRE 2018). - Tomsk, 2018. - P. 032072. - doi: 10.1088/1742-6596/1115/3/032072.
- Structural features of the coatings of the Ni-Al system obtained by air-plasma spraying [Text] / E. E. Kornienko [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2017. - Vol. 286, conf. 1. - P. 012028. - doi: 10.1088/1757-899X/286/1/012028.
- Влияние режимов плазменного напыления на структуру и свойства покрытий из Ni3Al [Текст]/ Е. Е. Корниенко [и др.] // Теплофизика и аэромеханика. - 2016. - Т. 23, № 6 (102). - С. 957-966.
- Visualization of interaction of Mach waves with a bow shock [Text] / A. A. Pavlov [et al.] // Proceedings of the XXV Conference on High-Energy Processes in Condensed Matter (HEPCM 2017) (5-9 June 2017, Novosibirsk). - Novosibirsk, 2017. - P. 030068.
- Application of saturable absorption adaptive visualizing transparencies to obtain flow density fields [Text] / A. A. Pavlov [et al.] // Proceedings of the XXV Conference on High-Energy Processes in Condensed Matter (HEPCM 2017) (5-9 June 2017, Novosibirsk). - Novosibirsk, 2017. - P. 030079.
- Павлов, А. А. Расширение возможностей теневых и интерференционных методов исследования газовых потоков [Текст] : автореферат диссертации … кандидата физико-математических наук : 01.02.05 : защищена 16.10.2009 / А. А. Павлов. - Новосибирск, 2009. - 19 с.
- Гуляев, И. П. Плазменная обработка дисперсных материалов [Текст] : монография. Ч. 1. Физические основы / И. П. Гуляев. - Ханты-Мансийск : УИП ЮГУ, 2013. - 115 с.
- Increasing accuracy of high temperature and speed processes micropyrometry [Text] / M. P. Boronenko [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. -2015. - Vol. 93, conf. 1. - P. 012021. - doi: 10.1088/1757-899X/93/1/012021.
Дополнительные файлы
