CC BY
10
УДК 629.33.004.67
ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ОБЛАДАЮЩИХ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТЬЮ
И. Б. Мурадов, Д. В. Кочетков, Ч. Г. Пак, Н. В. Шаталов
COLD SPRAY PROCESSING OF COMPOSITE MATERIALS WITH HIGH DENSITY
I. B. Muradov, D. V. Kochetkov, CH. G. Pak, N. V. Shatalov
Аннотация. В данной статье рассмотрена проблема газодинамического напыления многокомпонентного шихтового материала, обладающего высокой плотностью и низкой сыпучестью. Предложена конструкция для подачи материала в сверхзвуковое сопло. Была разработана физическая модель условий инжектирования в «квази-кипящем» слое, позволившая спроектировать и изготовить бункер для подачи шихтового материала.
Ключевые слова: газодинамическое напыление, композиционный материал, сверхзвуковое сопло.
Abstract. In this article the problem of cold spraying of the multicomponent charge material possessing high density and low flowability is considered. The design for material giving in a supersonic nozzle is offered. The physical model of conditions of an inzhektiro-vaniye in the «quasiboiling» layer, allowed to design and make the bunker was developed for giving of a charge material.
Key words: cold spray, composite material, supersonic nozzle.
Технология газодинамического напыления, несмотря на многолетний опыт своего применения, имеет много нерешенных вопросов, особенно в случае применения гетерогенных систем, резко изменяющих условия инжек-ции шихтового материала в сверхзвуковом сопле. Ни имеющиеся на настоящий момент управляющие устройства, ни созданный инструментарий не позволяют полноценно осуществлять газодинамическое напыление многокомпонентных шихтовых материалов, обладающих низкой сыпучестью и высокой плотностью [1]. В связи с применением двухкомпонентной шихты с различными характеристиками компонентов необходимо изменить способ подачи материала в сверхзвуковое сопло, так как при стандартном методе подачи через питатели одной инжекции недостаточно для захвата частиц с высокой плотностью [2, 3].
Данные вопросы в настоящий момент не нашли своего решения и требуют разработки научных основ и принципов технологического подхода.
Важной, в частности, является проблема инжекции шихтового материала в сверхзвуковое сопло и связанной с этим необходимости изменения способа его подачи.
Была разработана новая конструкция для подачи смеси в сверхзвуковое сопло. Устройство представляет собой бункер в виде перевернутой усеченной пирамиды. В нижней части бункера с помощью воздуха, подаваемого через тонкую трубку, расположенную на определенном расстоянии от нижнего
центрального отверстия, создавали условия, при которых шихтовои материал, расположенный в нижней части бункера, находился в состоянии «квази-кипящего слоя».
Для определения основных технологических характеристик предлагаемого решения была разработана физическая модель условий инжектирования в «квазикипящем слое» (рис. 1).
Рис. 1. Графическое представление физической модели «квазикипящего слоя»
в шихтовом материале
На рис. 1 Яе - число Рейнольдса; р - плотность воздуха в трубе А; V - средняя по сечению трубы скорость потока; п - коэффициент вязкости воздуха; й1 - диаметр трубы А; к - расстояние от торца воздухоподвода до места инжекции шихты в условиях формирования «квазикипящего» слоя:
Я, = ^10'. (1)
Л
Определим скорость VI потока воздуха у основания конусообразной области В. Рассмотрим два сечения данной области, расположенные на расстоянии йу друг от друга. В этом случае скорость потока при переходе от одного сечения к другому будет меняться от V до V + Л. Закон Бернулли при этом будет иметь вид
V ■ й2 = (V + йч)(й + йу ■ геа)2, (2)
или, пренебрегая бесконечно малыми величинами второго порядка,
2\%айу = -—й, (3)
V
где согласно рисунку й = + 2у^а.
Уравнение (3) представляет собой обыкновенное дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными. После интегрирования получим
г° Оу
У +
(
или 1п
откуда находим VI:
У +
2tga О \
2tga
2tga
_ О V V
'_- 1п V
к +
V _V-
tga
О,
tga_-
п .
2к
V _ V-
(5)
(6)
(7)
(8)
Воспользуемся уравнением Бернулли для области В:
2 2 PV _ Р^
■р°gh,
(9)
где р° = с,р, + с2р2 - плотность композитного порошка; р, и р2 - соответствующие плотности компонентов порошка; с, и с2 - весовые множители. Из соотношения (1) находим V :
V _
103 л
ро,
(1°)
где р = РМ/ (КТ) - плотность воздуха в трубе А, найденная из уравнения Менделеева-Клапейрона.
Вычислим давление воздуха:
2
р _Р+р?-; (11)
Р _ Ра +
1°6 л2 ЯТ 2О\ РМ
(12)
Используя систему уравнений (1)-(12), произведем расчет необходимого давления, подаваемого в трубку, для следующего условия:
- величина внешнего атмосферного давления 105 Па;
- коэффициент вязкости воздуха 1,72 • 105 Пас;
- температура 30° К;
- диаметр трубки 1,3 мм;
- газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(К • моль):
р _ Ш5 + 1°6(1,72•1°5)2 •8 31-3°° _ 5 Па.
2• (1,3•1°-3)25•Ю5 • 29•Ю
-3
к
1
2
Подставляя (8) и (10) в (9), получим
откуда находим
к =
2 -106 л2ЯТ ( _ "
Р0^РаМ [ й22 ,
1 _
(14)
Полученные расчетные зависимости позволили рассчитать и изготовить бункер, обеспечивающий непрерывное инжектирование шихтового материала в сверхзвуковое сопло с использованием принципа «квазикипящего» слоя. В качестве основы шихтового материала был принят сегнетокерамиче-ский материал ЦТБС-3, обладающий высокой плотностью и низкой сыпучестью. В качестве связующих использовали эпоксидные материалы.
На основании произведенных расчетов был спроектирован и изготовлен бункер (рис. 2).
Бункер имеет следующие характеристики:
- высота бункера 34 мм;
- толщина трубки 1,3 мм;
- отверстие в основании бункера 4 мм;
- толщина стенки 1,5 мм;
- расстояние от торца воздухоподвода до места инжекции шихты в условиях формирования «квазикипящего слоя» составляет 3,6 мм.
Таким образом, была реализована возможность производить газодинамическое напыление двухкомпонентной шихты широкого спектра свойств и составов материалов, имеющих низкие показатели сыпучести.
1. Алхимов, А. П. Научные основы технологии холодного газодинамического напыления (ХГН) и свойства напыленных металлов / А. П. Алхимов, В. Ф. Косарев, А. В. Плохов. - Н. Новгород : Изд-во НГТУ, 2006. - 280 с.
Рис. 2. Фотография сопла с бункером
Список литературы
2. Alkhimov, A. P. The Features of cold spray nozzle design / A. P. Alkhimov, S. V. Klinkov, V. F. Kosaref // J. of Thermal Spray Technology. - 2001. - V. 10, № 2. - P. 375-381.
3. Анциферов, В. Н. Порошковая металлургия и напыления покрытия : учеб. для вузов / В. Н. Анциферов, Г. Н. Бобров, Л. К. Дружинин. - М. : Металлургия, 1987. -275 с.
Мурадов Илья Борисович
кандидат технических наук, доцент, кафедра сварочного, литейного производства и материаловедения, Пензенский государственный университет
E-mail: [email protected]
Кочетков Денис Викторович
кандидат технических наук, доцент, кафедра теоретической и прикладной механики, Пензенский государственный университет
E-mail: [email protected] Пак Чир Ген
кандидат технических наук, доцент, кафедра сварочного, литейного производства и материаловедения, Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Шаталов Николай Владимирович
студент, Пензенский государственный университет
E-mail: [email protected]
Muradov Ilya Borisovich
Candidate of engineering sciences, associate
professor, sub-department
of welding, foundry and materials,
Penza State University
Kochetkov Denis Victorovich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of theoretical and applied mechanics, Penza State University
Pak Chir Gen
Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of welding, foundry and materials, Penza State University
Shatalov Nikolay Vladimirovich
Student, Penza State University
УДК 629.33.004.67 Мурадов, И. Б.
Газодинамическая обработка композиционных материалов, обладающих высокой плотностью / И. Б. Мурадов, Д. В. Кочетков, Ч. Г. Пак, Н. В. Шаталов // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2013. - № 1 (5). -С. 171-175.
