Движение частиц в плазме, разгон частиц

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 6Следующая ⇒

Частицы напыляемого материала ускоряются плазменным потоком за счет действия сил вязкости и динамического напора. Для решения задачи движения частицы в плазме, выявления зависимости скорости частицы от скорости плазмы, вводят ряд допущений:

- частицы сферические одинакового диаметра;

- распределение частиц по каналу сопла равномерно;

- частицы не взаимодействуют между собой и стенками сопла;

- частицы не влияют на процессы ионизации;

- отсутствует испарение частиц.

Тогда по данным С.Б. Митина уравнение движения частиц в потоке плазмы можно представить [1]:

(1)

где х - путь, пройденный частицей;

V₁ – cкорость частицы;

V_п – скорость плазмы;

γ ₁ – плотность частицы;

γ _п – плотность плазмы;

d - диаметр частицы;

С_х – коэффициент аэродинамического сопротивления.

Для плазменных струй, характеризующихся числом Рейнольдса R < 0, 2 (вязкие струи) для расчетов принимают

Скорость частиц на порядок меньше скорости движения потоков в плазме ( V_пл ~ 1000…2000 м/сек; V₁ ~ 20…200 м/сек), поэтому, пренебрегая V₁ по сравнению с V_пл получают соотношение:

(2)

и интегрируя выражение (2) в предположении, что γ _п, V_п, С_х - постоянны и равны соответствующим средним по длине и по сечению потока параметрам, после преобразований имеем:

(3)

где V_о - начальная скорость частицы вдоль потока.

При выведении частицы в поток, имеем V_о = 0, тогда соотношение между V_{частицы} и V_плазмы будет:

(4)

Снижение скорости плазменного потока

За счет влияния частиц

Ускоряя частицы, плазма передает им часть своего количества движения. Исходя из условий сохранения количества движения и пренебрегая потерями на трение между газом и частицами, а также потерей давления в сопле, можно записать:

(5)

где m₁ - масса частиц;

m_п - масса газа плазмы, работающего на 1 части.

Из поставленных ранее условий m₁ = const и m_п = const, имеем:

(6)

выразим массу через вес частиц, т.е. m₁ /m_n = G₁ /G_n c учетом (2) перепишем (6):

(7)

здесь V₁ - скорость частиц.

Подставляя в формулу (7) значение V₁ из (4) после интегрирования при средних и постоянных γ _п и С_х и преобразований получают:

(8)

где C – const; при х = 0 (в начале движения) C = ln V_n ,

после преобразований получают соотношение:

(9)

где V₁ = V_n - скорость газа в точке ввода порошка в сопло.

Уравнение (9) позволяет определить снижение скорости газа в сопле плазмотрона за счет присутствия частиц в потоке. На рис. 6 показано снижение скорости частиц в потоке при увеличении диаметра частиц.

Несмотря на ряд допущений, расчет дает хорошее совпадение с опытными данными.

Рис. 6 – Влияние размеров частиц на скорость

плазменного потока

Распределение скорости частиц в пятне распыла

Рис. 7 –Характер распределения скорости частиц различного диаметра в пятне напыления:

1 – d₁ - 100…150 мкм; 2 - d₁ - 150…200 мкм;

3 - d₁ - 300…350 мкм;

Скорость неравномерна по сечению. Большая разница для мелких частиц. Зависит от температуры, газа, вязкости, скорости потоков и др.

Полученные закономерности характерны и для газопламенного напыления.

Высокие скорости частиц получают в гелиевой и аргоновой плазме – за счет более высокой температуры при одинаковой энтальпии ( Ne ~ 5000 ⁰C; Ar ~ 13000 ⁰C; He ~ 17000 ⁰C) интенсивное расширение газов, повышенные скорости истечения – могут достигнуть частицы Co + W (V₁ = 305 м/сек).

Важный показатель: эффективный КПД ряда процессов.

Нагрев газа η _пл, %

Ar 10…70

Н₂ 30…80

Нагрев проволоки при распылении:

- плазменной струей 2…5

- плазменной дугой 10

Нагрев порошка

- подача на срез сопла 2

- в столбе дуги и струе 20

Оборудование для плазменного напыления покрытий

Функциональная схема установок для газотермического напыления (плазменного), рис.8. Практически все установки для ГТН состоят из указанных элементов [6, 8, 9].

Рис.8 – Функциональная схема установок для плазменного напыления

Плазменные распылители

Распылители предназначены для создания потока дисперсных частиц с заданной температурой и скоростью.

Рис. 9 – Конструктивная схема плазменного распылителя:

1 – корпус (состоит из 3-х частей); 2 – сопло плазмотрона (анодный узел); 3 – электроизоляционная проставка; 4 – электрод и катодный узел; 5 – герметизирующие прокладки; 6 – крышка; 7 – плазмообразующая дуга; 8 – плазменная струя; 9 – клемы источника питания; 10 – плазмообразующий газ; 11 – распыляемый материал; 12 – крышки; 13 – охлаждающая жидкость

Специфические требования к распылителям:

- малая масса (~ 2, 5 кг для ручных),

- удобство в работе;

- отсутствие перегрева при длительной работе;

- высокое значение теплового КПД (η _n.р. );

- возможность замены изношенных деталей;

- легкость ввода распыляемого материала.

Ответственной частью плазмотрона является сопло (анод) – определяет длину дуги, скорость и характер истечения струи, а значит η _n.р.. Сопла профилированы, время работы – 10…50 час. Обеспечивается легкая и быстрая смена. Изготавливают из меди, рассчитывая на максимальный эффект охлаждения.

Электрод (катод) – изготавливается из вольфрама (торированного, лантанированного) с помощью вставки интенсивно охлаждаемой водой.

При использовании двухатомных окислительных газов вольфрам заменяют цирконием или гафнием. Образуется на поверхности тугоплавкая оксидная пленка, препятствует разрушению. При обратной полярности стержневой электрод изготавливают из меди.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 Следующая ⇒