CC BY
23
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2003 р. Вип. №13
УДК 533.9 : 621.793
Пащенко В.М.*
ОСОБЛИВОСТ1 ОРГАН13АЦП ВВЕДЕНИЯ МАТЕР1АЛУ У ПЛАЗМОВИЙ СТРУМШЬ ГАЗОПОВ1ТРЯНИХ РОЗПИЛЮВАЧ1В
Проведено анал1з вплыву транспортуючого газу при використант плазмы, що утворе-на /з сумш! повтря з вуглеводневим газом та запропоноват шляхи м1мм1зац1я и негативного впливу на яюстъ покриття. Отримат залежност1 розподшу температури та швидкост1 по перер1зу струменя при введент транспортуючого газу.
При застосуванш газотср\пчних метод ¡в напилення (ГТНП) матер1ал, який формуе покриття, у вихщному стаж може бути у вигляд1 порошку, дроту, стрижня, гнучкого шнура [1]. 1сторично першим почав використовуватися суцшьний дрп; пегпм почали застосовувати стрижи!. Перспективиими вважаються гнучи шиури та порошковий дргг. Одиак осиовиим видом матер1алу для нанесения покритпв газотерм ¡чними методами залишаеться порошок. Застосу-вання дисперсних матер1ал1в вщомо! грануляцп { складу робить достатньо прогнозованими структуру 1 х1м1чний склад покриття, спрощуе конструювання поверхневого шару виробу.
Плазмове напилення е одним в способ!в ГТНП. яи з моменту свое! появи динам1чно розвива-ються, постшно пщвшцуючи сво1 технолопчш можливосп. Рацюнальна оргашзащя процесу введения матер1алу у плазмовий струмшь значною м1рою сприяе отриманню покриття високо! якост1.
Для дисперсного матер ¡алу найефектившшим можна було б вважати подавання порошку в дуговий канал вище по потоку вщ анодно! (катодно!) плями, бо шлях частинок у високотемперату-рнш зош в цьому раз1 значно подовжуеться. Але ¡снуюча рад1альна нер1вном1ршсть температурного поля в дуговому канал 1 не дае змогу створити щентичш умови нагр1вання 1 прискорення для вслх частинок потоку порошкового матер1алу. Частники, якл потрапили у пристшний шар "холодного" газу не нагр1ваються до температури плавления, а тк яи потрапили в зону дугово! плями - пере-гр1ваються (до випаровування). Перегрт частники можуть прилипати до ст1нки дугового каналу, утворюючи настил. Це спотворюе схему течи газу, порушуе режим роботи розпилювача. Аналопч-ш явища спостертаються 1 при подаванш дисперсного матер ¡алу за плямою дуги в канал.
Враховуючи сказане, в бшьшост1 випадив подавання порошку здшснюеться за допомогою транспортуючого газу, у вигляд1 газопорошково! сум1ш1, на зр1з сопла плазмотрона, або в дуговий канал, на вщеташ 5... 10 мм вщ зрпу сопла вище за теч1ею, по одному або декшькох каналах через спещальш штуцери, яи з'еднуються з порошкопроводом [2]. При цьому важливою попередньою умо-вою отримання яисного покриття е рацюнальний (у випадку порошкового напилення - р1вном1рний) розподш параметр ¡в високотемпературного струменя у простор! 11х стаб1льнють у чаек
Цшлю роботи е проведения аналпу впливу транспортуючого газу при використанн1 пла-зми, що утворена ¿з сум1ш1 пов1тря з вуглеводневим газом, та запропонувати шляхи м1шмпацп и негативного впливу на яисть покриття.
Вщомо, що витрата транспортуючого газу сягае 10... 15 % вщ витрати плазмоутворюва-льного газу [2], а питома маса залежить вщ температури. При попаданш транспортуючого газу в плазмовий струмшь мають мюце деякл явища, яи негативно впливають на процес нанесения покриття:
- знижуеться температура потоку плазми в результат! додавання холодного транспортуючого газу;
- зменшуеться час перебування частинок порошку у високотемпературнш зош через поступове, а не миттеве руйнування струмини холодного транспортуючого газу;
- спостер1гаеться турбулпащя потоку плазми струминою транспортуючого газу з руйну-ванням високотемпературного ядра;
НТУУ "КШ", канд.техн.наук, доцент.
- зменшуеться довжина початково! дшянки плазмового струменя, а отже 1 час перебу-вання частинок у високотемпературнш зош та ш.
Виходячи >л сказаного, актуальным е зниження дол1 транспортуючого газу в порошковш су-мпш. Доцшьним кроком було б вщокремлення порошкового матер ¡алу вщ транспортуючого газу на заключит стадп введения порошку в плазмовий струмшь, але техшчна складнють повного вщокремлення порошкового матер ¡алу вщ транспортуючого газу г як наслщок, зниження над ¡йноет 1 ще! стадй процесу нанесения покриття обмежуе сферу застосування таких техшчних рипень [2].
Негативш явища, яю супроводжують процес введения транспортуючим газом дисперсного матер ¡алу в плазмовий струмшь. е наслщком зниження енергетичного р1вня зони змшування транспортуючого газу \ основного потоку. Вщомо, що ступшь зниження швидкосп \ темпера-тури плазмового потоку при подаванш транспортуючого газу значною м1рою залежить вщ ви-хщного складу, структуры та енергетнчннх характеристик високотемпературного струменя [3].
Традицшно широко використовуються аргоно-водневг азотш та азотно-воднев1 сум1пп, що частково обумовлюеться вимогами забезпечення ресурсу роботи електрод1в розпилювача, а част-ково - не зовам коректною ¡снуючою думкою про можливють захисту вщ взаемодп з навколиш-шм середовищем порошкового матер1алу в процесс його нагр1вання та прискорення шертними або нейтральними плазмоутворювальними газами. Хоча вщомо, що в результат! пщемоктування вмют повпря, наприклад, в струмеш аргонового розпилювача при напиленш у вщкритш атмосфер! на вщеташ 50 мм вже складае 55... 65 %, а на вщеташ 100 мм - приблизно 90 % [4].
Принципово нов1 можливосп виршення проблем подавання порошкового матер ¡ал у в плазмовий струмшь з'являються при застосуванш як плазмоутворювального газу сум ¡шей повпря з вуглеводневими газами.
Кисень повпря, небажаний компонент середовища при напиленш багатьох матер1ал1в, при нагр1ванш згадано! сум ¡ил теплом електрично! дуги, зв'язуеться вуглецем вуглеводневого газу в терм1чно стшкий оксид вуглецю.
При цьому водень, який зазвичай додаеться до шертних газ ¡в у кшькосп 10... 20 % об'емних для пщвищення ентальпп { теплопровщносп плазми, отримуеться в процесс \i\ii4Hoi реакцй' в плазмовому розпилювачг Кшькють водню \ шших вщновлювальних компонента у плазмовому струмеш, як \ вщновлювальний потен шал середовища в цшому, регулюеться змь ною вихщного сшввщношення вуглеводневий газ-повпря.
Складнють \i\ii4Horo складу плазмового струменя сум ¡шей вуглеводневих газ ¡в в повпрям, що мютить р1знорщш нейтральш молекули, юни \ електрони, надае залежносп ефективного коефкцента теплопровщносп вщ температури немонотонний хвилепод1бний вид. Наявнють компонент в р пни ми значениями температури максимальних швидкостей дисощацй: Н20- 2800 К, СОг - 3500 К, Н2 - 4500 К, N2 - 7000 К (в райош цих температур мае мюце суттеве пщвищення теплопровщносп плазми за рахунок найбшыпого розвитку дисощативних та юшзацшних процеав), значно розширюе д1апазон ефективного нагр1вання матер1ашв, пор1вняно з плазмовими середовищами простого складу.
При нагр1ванш матер ¡алу и при взаемодп струменя з навколишшм середовищем ще вщ-бирання енергй' вщ робочого тша, яким у даному випадку е плазмовий струмшь. Вщбирання енергп супроводжуеться зниженням температури вздовж струменя \ зниженням, як наслщок, температурного напору. I в цьому випадку, плазма сум ¡шей повпря з вуглеводневим газом, демонструе високу ефектившеть. При вщбиранш 1 кВт-год/м3 енергй' вщ високотемпературного струменя в результат! нагр1вання матер1алу, середньомасова температура плазми в досить широкому штервал1 температур (3000...8000 К) знижуеться лише на 180...200 К. Таким чином, простий перехщ вщ повпря або азоту до сум ¡шей цих газ ¡в в вуглеводнями (метан, пропан-бутан та ш.) значно покращуе умови введения матер1алу у плазмовий струмшь.
Експериментальш дослщження впливу потоку транспортуючого газу на енергетичний стан основного плазмового струменя, здшенеш за допомогою ентальпшного зонду Грея, в щ-лому пщтверджують попередш висновки, зроблеш за термодинам1чними розрахунками. Хоча локальне зниження температури в мющ введения матер1алу в окремих випадках може бути значно опылим, шж за оцшками по середньомасовим параметрам.
Вим1рювання були проведен! на дистанцп 50 мм вщ зр1зу сопла, де практично завершений процес змшування транспортуючого газу з основним плазмовим потоком. Дослщжувались повпряш 1 газоповпряш плазмов1 струмеш при застосуванш як транспортуючого газу повпря 1 природного газу (метану). Повпряш плазмов1 струмеш можна розглядати як окремий випадок
застосування газоповпряних сум1шей, коли коефщент витрати окислювача а = оо. Витрата транспортуючого газу складала близько 12 % в'щ втирати плазмоутворювально1 сумпш.
У вспх випадках зафжсоване падшня швидкосп основного плазмового струменя та його захолоджування (рис.1).
Особливо значне падшня швидкосп (до 30 %) спостер1гаеться у випадку використання транспортуючого природного газу { повпряноУ плазми (рис.1, а). При цьому температура на ос1 струменя знижуеться приблизно на 10 %. Р1зке падшня швидкосп потоку на дистанцп вимгрювання у випадку застосування природного газу викликаеться комплексом причин, але основною, очевидно, е зменшення об'ему продукт!в через рекомбшацпо азоту [ пропкання реакцш горшня Н2 та СО.
Застосування замють метану транспортуючого повпря викликае приблизно таке ж падшня температури на ос1 струменя, але менше вщбиваеться на його швидкосп - зниження швидкосп вдв1ч1 менше за попереднш випадок. Це можна пояснити бшып пом1рним зменшенням об'ему продукпв через вщсутнють реакцш горшня компонент вуглеводневого газу.
Перехщ вщ повггряно1 плазми до плазми, що генеруеться ¡з сум ¡шей вуглеводневих газ1в ¡з повпрям (а < 1), значно зменшуе чутливють плазмового струменя до впливу потоку транспортуючого газу. Падшня температури при в и кори стан ш транспортуючого повпря складае не бшыпе 3 %, а швидкосп - 10 %, що пояснюеться бшып високими вихщними значениями ентальпп \ швидкосп плазмового потоку \ подовженою високотемпературною дшянкою струменя (рис.1, б). Це уповшьнюе процес рекомбшацп азоту вздовж потоку, а вщповщно \ зменшення об'ему продукпв.
Якюно нова картина розподшу параметр1в плазмового потоку спостерпжлъся при засто-суванш транспортуючого природного газу. Кр1м згаданого вище уповшьнення процесу рекомбшацп азоту вздовж потоку, дисощащя вуглеводневого транспортуючого газу ¡з збшыпенням об'ему [ вщсутнють реакцш окисления продукпв дисощацп (нестача кисню в плазм1 з а < 1) не тшьки не призводять до падшня швидкосп потоку, але й шдвищують и на 5...7 % (рис.1, в). Одночасно, використання природного газу як транспортуючого, надае додатков1 можливосп керування окислювально-вщновним потенщалом струменя. Експериментально встановлено
р1зке зменшення вмюту кисню в об'ем1 факела (на дистанцп вим1рювання) -практично до нуля на ос1 струменя [ вдв1ч1 по перер1зу на вщсташ 5 мм вщ ось При цьому, за рахунок локального зниження ос, значно (в 10... 100 раз1в, залежно вщ положения вщносно ос\ струменя точки вимгрювання) пщвищуеться вмют Н2 та СО.
Цпсавим може бути використання як транспортуючого газу сушпп вуглеводневого газу з повпрям (рис.2).
Горюча транспортуюча сумпп доз-воляе не тшьки максимально зберегти вихщш параметри плазмового струменя, але й надае порошковому матер1алу додаткову енерпю, яка видшяеться при горшш сумпш в пальниковому пристро11. При цьому не спотворюеться х1м1чний склад середовища, в якому здшснюеться нагр1вання та прискорення дисперсного матер1алу.
Використання дротяних матер1ал1в потребуе дещо шших умов утворення, названия та прискорення частинок матер¡-алу, що утворюе покриття. Вщповщно змшюються [ вимоги до середовища, в якому цей процес здшснюеться. Вщомо, що температура, а вщповщно \ температу-рний натр при нагр1ванш матер1ал1в у
\
л 1
20 20 10
10 20
г, мм
Рис.1 - Розподш температури та швидкосп по иерер1зу плазмового струменя при введенш
транспортуючого газу (----) \ без нього (
-----): а - повпряний плазмовий струмшь \
транспортуючий природний газ; б -вихщна плаз-моутворювальна сумпп повпря та природного газу \ транспортуюче повпря; в -вихщна плазмо-утворювальна сумпп повпря та природного газу \ транспортуючий природний газ
плазми що утворена is cyvriiui повпря з вуглеводневим газом, нижч1 за аналопчш параметры в аргоновому, аргоно-водневому та деяких шших плазмових середовищах |5|.
Температура, наприклад, скла-дае, залежно влд коефилента витрати окислювача а, 5000...7000 К, що майже вдв1ч] нижче за температуру аргоново!' плазми при однакових енерговкладах. Якщо вважати, що для згаданих плазмових середовищ в mi cm подавання дроту значения коефщютпв тепловщ-дач! мають один порядок, i розпи-люеться один дрл;1 згадаш фактори обмежують питому продуктивнють процесу розпилення дроту плазмою сумшп пов1тря з вуглеводневим газом. Витрата енергп на одиницю маси матер ¡алу. що розпилюеться, у випадку "нейтрального" дроту становить 6...8 кВт/кг (без урахування ККД роз-пилювача). Аналопчний показник аргонових плазмотронш становить 4... 6 кВт/кг, хоча специальною оргашзащею структури струменя газоповпряноУ плазми вдаеть-ся наблизити питому витрату енергп до значень аргонових розпилювачш.
Значно кращ! показники мае розпилення ' "стр у м о п р о в i д н о го дроту. Додаткова снсрпя. що видпяеться в електроднш плям1 дуги, яка фшсуеться на дрот!, значно зменшуе питому витрату ене-priï на одиницю маси матср1алу. що розпилюеться. Витрата CHcpriï становить 3,7.. .4,5 кВт/кг.
Висновки
1. MiHÎMiaauiii негативного впливу транспортуючого газу при внкористанш плазми, що утворена i3 cyMiini повпря з вуглеводневим газом, для нанесения порошкового покриття, мож-лива при застосуванш вуглеводневого газу як транспортуючого.
2. Застосування транспортуючого вуглеводневого газу при нанесены порошкового покриття за допомогою повггряно!' плазми неефективне внаслщок р1зкого зниження швидкост! високотемперат\рного потоку.
3. Застосування вуглеводневих транспортуючих газ ¡в (або i'x сум ¡шей Î3 повггрям) при нанесснн1 порошкових покрнттт дозволяе в широких межах керувати окислювально-вщновним потентатом робочо! зони плазмового струменя.
4. Розпилення дротяних MaTcpia.iib плазмою, що утворена Î3 сум!ш1 повггря з вуглеводневим газом, ефективне при формуванш спешального профялю високотемпературного потоку i застосуванн! вар1анту розпилення Î3 "струмопровиним дротом.
IlepejiiK посилань
1. Газотермические покрытия из порошковых материалов: Справочник / Ю. С. Борисов, Ю.А. Харламов, С.Л. Сидоренко, E.H. Ардатовская. - К.: Наук, думка, 1987. -544 с.
2. Пащенко В.М. Обладнання для газотерхпчного нанесения покритпв: Навч.поаб./ В.М.Пащенко. - К: ГВЦ "Полиехшка", 2001. - 416 с.
3. Кудимова В. В. Нанесение покрытий плазмой ! В.В. Кудинова, П.Ю. Пекшее, В.Е.Белащенко. -М : Наука, 1990.-408 с.
4. Хает А. Техника напыления, пер с яп. /А.Хасуп - М.: Машиностроение. 1975. - 288 с.
5. Сидоренко СИ. Материаловедческие основы инженерии поверхности / С.И.Сидоренко, В.Н.Пащенко, В.Д.Кузнецов. - Киев: Наук, думка, 2001. - 230 с.
6. Петров C.B. Плазменное газовоздушное напыление / С.В.Петров, И.Н.Карп. - Киев: Наук, думка, 1993. - 495 с.
Стаття надшшла 25.12.2002
Рис.2 - Bapiaiir схеми подавання порошкового матер1алу при використанш газоповпряних плазмоутворювальних сумплсй: 1 -пальниковий пристрш; 2 -двофазний газопо-рошковий hotîk; 3 —пот!к низкотемпературно! плазми; 4 -соплова частина плазмового розпилювача.
