Моделювання двофазного потоку при холодному газодинамічному напилюванні

Abstract

Допрацьована одновимірна газодинамічна модель процесу розгону і підігріву частинок з урахуванням затопленого простору. Один цикл прискорення частинок газовим потоком можна розділити на три періоди: змішування потоку газу і порошку; рух і прискорення частинок в частини сопла, що розширюється; рух струменя з частинками в затопленому просторі (в тому числі відскок від підкладки). Відомо, що формування покриття при ХГН залежить від нормальної складової швидкості частинок порошку відносно поверхні на яку проводиться напилення. Для кожного матеріалу існує своє значення критичної швидкості, при якій починається процес формування покриттів. При швидкостях частинок вище критичної відбувається їх зчеплення з підкладкою й утворення покриття, зумовлене пластичною деформацією частинок, а при швидкостях нижче критичної спостерігається ерозія поверхні або напилювання з низькою ефективністю за певних умов. Зважаючи на те, що однією з особливостей процесу холодного газодинамічного напилення (ХГН) є вельми малі дистанції між сопловим апаратом і підкладкою, що призводить до виникнення зворотного течії газового потоку (ударної хвилі), відбитого від підкладки. Виникнення ударної хвилі змінює кут напилення, відхиляє траєкторію частинок напилюваного порошку та значно гальмує їх швидкість, що призводить до необхідності більш детального аналізу затопленого простору. Виконано розрахунок температурно-швидкісних параметрів частинок алюмінію і нікелю розміром 25 мкм при зіткненні з підкладкою для надзвукового сопла СК-20 установки ХГН низького тиску ДИМЕТ-405. Незважаючи на те, що одновимірна ізоентропійна газодинамічна модель, яка зазвичай використовується для розрахунку параметрів потоку, описує його лише вздовж осі сопла, без урахування теплообміну з соплом і втрат на тертя об внутрішні стінки, що призводить до отримання завищених результатів розрахунків, її використання дає змогу попередньо оптимізувати геометрію каналу сопла та технологічний процес напилення. Математичне моделювання динаміки двофазного потоку процесу холодного напилювання виконано з використанням програмного пакета MATLAB.

Доработана одномерная газодинамическая модель процесса разгона и подогрева частиц с учетом затопленного пространства. Один цикл ускорения частиц газовым потоком можно разделить на три периода: смешивание струи газа и порошка; движение и ускорение частиц в расширяющейся части сопла; движение струи с частицами в затопленном пространстве (в том числе отскок от подложки). Известно, что формирование покрытия при ХГН зависит от нормальной составляющей скорости частиц порошка относительно поверхности, на которую производится напыление. Для каждого материала существует свое значение критической скорости, при которой начинается процесс формирования покрытий. Для каждого материала существует свое значение критической скорости, при которой начинается процесс формирования покрытий. При скоростях частиц выше критической происходит их сцепление с подложкой и образование покрытия, обусловленное пластической деформацией частиц, а при скоростях ниже критической наблюдается эрозия поверхности или напыление с низкой эффективностью при определенных условиях. Принимая во внимание то, что одной из особенностей процесса холодного газодинамического напыления (ХГН) является весьма малые дистанции между сопловым аппаратом и подкладкой, что приводит к возникновению обратного течения газового потока (ударной волны), отраженного от подложки, а отраженный поток не только значительно затормаживает частицы напыляемого порошка, но и отклоняет их траекторию, изменяя угол напыления необходимость более детального анализа затопленного пространства неоспорима. Выполнен расчет температурно-скоростных параметров частиц алюминия и никеля размером 25 мкм при столкновении с подкладкой для сверхзвукового сопла СК-20 установки ХГН низкого давления ДИМЕТ-405. Несмотря на то, что одномерная изоэнтропийный газодинамическая модель, которая обычно используется для расчета параметров потока, описывает его только вдоль оси сопла, без учета теплообмена с соплом и потерь на трение о внутренние стенки, что приводит к получению завышенных результатов расчетов ее использование позволяет предварительно оптимизировать геометрию канала сопла и технологический процесс напыления. Математическое моделирование динамики двухфазного потока процесса холодного напыления выполнена с использованием программного пакета MATLAB.