ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ СФЕРОДИЗАЦИИ ПРОВОЛОКИ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.1

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ СФЕРОДИЗАЦИИ

ПРОВОЛОКИ

А. В. Овчинников1 Научный руководитель - Д. В. Сергачёв

1Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и практической механики имени С. А. Христиановича СО РАН Российская Федерация, 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, 4/1

Е-mail: vicserg@mail.ru

В статье рассмотрены теоретические закономерности при плазменном распылении проволоки.

Ключевые слова: низкотемпературная плазма, сферодизация проволоки, распыление проволоки, теоретические зависимости.

THEORETICAL RESEARCH OF PLASMA SPHEROIDIZATION OF WIRE

A.V. Ovchinnikov1 Scientific supervisor -D.V. Sergachev2

:Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy prospect, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2Federal State Budgetary Institution of Science Institute of Theoretical and Practical Mechanics named after

S.A. Khristianovich SB RAS 4/1, Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation Е-mail: vicserg@mail.ru

In the paper discusses the theoretical patterns in the plasma spraying of wire.

Keywords: low-temperature plasma, spheroidization of wire, wire spraying, theoretical dependencies.

Сферодизированные и металлизированные порошки являются эффективными материалами для создания фильтров, катализаторов, катодов, композиционных материалов, а также материалов для нанесения защитных покрытий, наплавки и сварки. Регулируемые в широких диапазонах концентрация тепловой энергии, газодинамические параметры и состав газа в плазменной струе делают её весьма гибким и эффективным средством изготовления порошковых материалов с заданными физико-химическими свойствами. При этом наиболее простым и гибким способов получения порошков является распыление проволоки [1].

С помощью фотографирования и скоростной съёмки для случая распыления проволоки установлено, что плазменный поток взаимодействует не только с образующейся каплей, но и с торцом проволоки [2, 3], что существенно интенсифицирует переход металла в жидкое состояние. Условиие отрыва капли от торца проволоки:

Fc + G = Fa

Секция «Перспективные материалы и технологии»

Где Рс - механическая сила струи, G - вес капли, р - сила, удерживающая каплю на торце.

Из аэродинамики известно, что сила лобового давления, действующая на каплю может быть подсчитана по выражению:

о * V2

р _ С * ' плазма_£

с * 2

где Сх - коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса, рплазмы - плотность потока, V -скорость потока, £ - площадь миделевого сечения капли.

Сила, удерживающая каплю на торце проволоки, пропорциональна диаметру проволоки (ё) и силе поверхностного натяжения данного металла (а).

р _ тёа

Таким образом, и увеличение объема капли и уменьшение поверхностного натяжения способствуют достижению условия отрыва капли от проволоки. Из-за малости веса капли им можно пренебречь. Путем математических преобразований [1] находится формула среднего диаметра диспергированных частиц:

й:

В _ 3,35-

V

ейп

Оп.

О (1 + аТ)

_ 2.63

V

ейп

Оп

v(1 + аТ)

где О - объемный расход газа,

йс - диаметр сопла плазмотрона, йпр - диаметр подаваемой проволоки, V- скорость потока плазмы, а- коэффициент теплового расширения газа, Т - температура плазмы.

Пользуясь этой формулой, проведем теоретический расчёт среднего диаметра получаемых частиц при распылении проволоки из титана, вольфрама, молибдена, железа и меди в плазме двух газов - азота и аргона при различных температурах. Данные расхода газа, диаметра сопла и проволоки занесены в табл. 1.

Используемые данные

Таблица 1

Q, м3/ч йс мм йпр мм

4 2,5 1,0

Вычисленные результаты представлены на рис. 1.

Как видно из графиков при повышении температуры плазмы размер частиц уменьшается пока не достигает минимума. Наименьший размер частиц у титана и меди, когда наибольший у вольфрама. За счет большей плотности аргона, при одинаковой темпратуре при использовании аргона размер частиц на 10-30% меньше, чем при использовании азота при одинаковой температуре, за счет возможности достигать больших температур, минимальный размер частиц на 45 % меньше минимального при использовании азота. Но в данных графиках не учтено, что химически активные металлы начинают реагировать с газом плазмы, а также для многих материалов неизвестно изменение коэффициента поверхностного натяжения от наличия в ней химически активных газов. Также размер частиц изменяется обратнопропорционально объёмному расходу газа и пропорционально квадрату диаметра сопла плазмотрона, или же обратнопропорционально скорости потока плазмы из сопла.

200 180 160 140 ^ 120 I 100

Q 80 60 40

Рис. 1. Зависимость среднего размера частиц при распылении в плазме аргона (слева) и азота (справа)

от изменения температуры

Библиографические ссылки

1. Плазменная металлургия (Низкотемпературная плазма. Т. 8) /Ю. В. Цветков, А. В. Николаев, С. А. Панфилов и др. Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние, 1992, 265 с.

2. В .А. Петруничев, В. В. Титков, К механизму плазменного распыления проволоки //Физика и химия обработки материалов. 1977, №1, с. 14-18.

3. Низкотемпературная плазма в металлургии /А. Н. Кранов, С. Ю. Шаривкер, В. Г. Зильберберг /М.: Металлургия, 1970, 216 с.

© Овчинников А. В., 2022

290

270

250

§ 230

§ 210

о 190

170