Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Технология тугоплавких неметаллических материалов

Диссертационная работа:

Обабков Илья Николаевич. Моделирование и оптимизация процесса плазменного напыления тугоплавких керамических покрытий : диссертация ... кандидата технических наук : 05.17.11.- Екатеринбург, 2002.- 148 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-5/337-5

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

  1. Модели описания процессов движения и нагрева частиц в плазменных струях 9

  2. Разработка трехмерной модели ускорения и разогрева частиц материалов в плазменных струях, и ее компьютерная реализация 40

2.1. Общие уравнения движения и нагрева дисперсных материалов

при напылении 41

2.2. Одномерная и двумерная модели нагрева и движение частицы 47

  1. Ограничения и допущения, использованные при построении одномерной модели 47

  2. Уравнения движения и нагрева частицы 47

  3. Начальные условия для одномерной модели 49

  4. Двумерная модель 49

2.3. Трехмерная модель 50

  1. Уравнения движения и нагрева частиц 50

  2. Модель плазменной струи для трехмерной модели 51

  3. Начальные условия 57

2.4. Компьютерная реализация трехмерной модели 60

  1. Метод траекторий 60

  2. Метод отдельных частиц 62

  3. Использование методологии объектно-ориентированного проектирования. Структура объектов для модели 62

3. Исследование пригодности математической модели ускорения и
разогрева частиц в плазменных струях 67

  1. Объект исследования 67

  2. Анализ и сравнение результатов физического и вычислительного эксперимента для частиц вольфрама 69

3.3. Проведение физического и вычислительного эксперимента по
измерению скорости и температуры частиц боридов переходных
металлов 88

  1. Методика проведения эксперимента 88

  2. Анализ результатов эксперимента 89

  1. Оценка влияния технологических параметров процесса плазменного напыления на разогрев и ускорение частиц 94

  2. Исследование скорости и температуры частиц тугоплавких соединений в плазменной струе и оптимизация условий напыления 127

Выводы 138

Заключение 140

Литература,

Введение к работе:

Современная техника характеризуется неуклонно повышающимися рабочими температурами, скоростями, высокими и сложными нагрузками, необходимостью эксплуатации отдельных узлов, машин и механизмов в условиях одновременного воздействия механических нагрузок и агрессивных сред. Это в свою очередь вызывает необходимость усовершенствования существующих и разработки новых материалов, отличающихся повышенными физико-техническими и физико-химическими свойствами [1]. К одним из наиболее перспективных материалов подобного типа, наряду с тугоплавкими металлами и их сплавами, относятся тугоплавкие соединения типа карбидов, боридов, нитридов, силицидов, оксидов [2,3]. Высокая твердость, износостойкость, тугоплавкость, коррозионная стойкость, термическая стабильность и т.д. делает использование этих соединений в современном материаловедении весьма эффективным. Однако их применение часто ограничивается технологическими трудностями изготовления из них деталей машин и механизмов, особенно если последние имеют сложные формы и конструкции, а также значительной хрупкостью и невысокими прочностными свойствами в условиях динамических нагрузок. Поэтому гораздо целесообразнее использовать тугоплавкие соединения в форме покрытий на достаточно прочных и пластичных основах [4, 5]. Создание таких покрытий является в ряде случаев наиболее эффективным, а иногда и единственно возможным средством решения сложных технических проблем.

В настоящее время для нанесения покрытий из тугоплавких материалов большое распространение получило нанесение плазменным напылением, при котором слой покрытия образуется из потока расплавленных мелкодисперсных частиц вещества [6].

К преимуществам метода плазменного напыления покрытий необходимо отнести [7]:

возможность напыления практически любых, не разлагающихся и не сублимирующих материалов и соединений;

большие возможности управления тепловым режимом напыления;

возможность нанесения покрытий на большие и малые поверхности, на отдельные участки и детали сложной конфигурации;

низкую температуру нагрева напыляемой поверхности, что позволяет сохранять особенности структуры и свойства материала основы.

Применение метода плазменного напыления для получения жаростойких покрытий возможно лишь при условии устранения недостатков, присущих этому методу. Известно, что обычные плазменные покрытия, наносимые на воздухе и в аргоне, характеризуются наличием в них остаточной пористости, повышенным содержанием оксидных фаз и недостаточной прочностью сцепления с подложкой.

В целом задача создания защитного покрытия для того или иного изделия должна решаться комплексно, а именно, выбором оптимального его состава, использованием высокоэффективного технологического оборудования и оптимизацией технологии нанесения.

Поиск оптимальных режимов плазменного напыления покрытий предполагает варьирование большого количества факторов. В тоже время, используя лишь те или иные характеристики покрытия: твердость, износостойкость, жаростойкость и т.д., нельзя в целом решить задачу оптимизации его процесса напыления. Исходя из физических представлений процесса плазменного напыления, можно сделать вывод о том, что качество напыляемых покрытий во многом зависит от скорости и температуры распыляемых в плазменной струе частиц порошков. Ясно, что частицы в момент соприкосновения с подложкой должны быть нагреты как минимум до температуры плавления, и иметь максимально высокую скорость.

Для выбора оптимальных условий проведения плазменных процессов необходим всесторонний анализ взаимодействия частиц порошков с плазменными струями, а для этого, прежде всего, требуется построение

модели и проведение оптимизации для управления процессом в реальном времени.

В общем случае математическая модель для струйно-плазменного процесса обработки дисперсного материала должна представлять собой систему уравнений, отражающих смешение реагентов, теплообмен, фазовые переходы в исходном сырье, химические реакции и процессы формирования целевого продукта (конденсация, коагуляция, кристаллизация) с возможным наложением обратных химических реакций, причем практически все эти стадии совмещены. Моделирование процессов с переходом дисперсного вещества в газовую фазу осложняется и тем, что уменьшение размера частиц и изменение температур и скоростей фаз должно отражаться на характере взаимодействия этих частиц с газовой фазой, что требует изменения структуры соответствующих уравнений или введения уточняющих поправок при необходимости постоянного слежения за величинами определяющих критериев.

Трудности, возникающие при моделировании таких процессов, обусловливают возможность использования различных подходов, основанных на различных представлениях об определяющей роли отдельных стадий и различном уровне и объеме допущений, принимаемых при математическом описании. Из этих подходов можно выделить два основных[8]:

описание процессов с учетом эволюции параметров газовой и дисперсной фаз во времени (пространстве) при некотором упрощении представлений о механизме взаимодействия отдельной частицы с химически активным газовым потоком;

детальное описание процесса взаимодействия частицы с нагретым газом без учета динамики всей системы в целом, основанное на представлениях газокинетической теории и теории пограничного слоя; задача может быть расширена учетом процессов, происходящих внутри частиц.

7 Наиболее правильный путь состоит в разумном сочетании того и другого подхода, так как стремление наиболее полно отразить физическую сторону процесса не должно лишать модель возможности инженерного приложения. Связь результатов эксперимента с условиями осуществления технологического процесса не очевидна и не может быть определена без достаточно подробного исследования. Безусловно, практически невозможно учесть все важные для процесса факторы, и адекватность модели реальному процессу может быть проверена только при сравнении результатов вычислительного и реального экспериментов.

Следует выделить две группы задач, стоящих в настоящее время в области модельно-математических исследований процессов в плазменных струях. Первая относится к выявлению наиболее существенных факторов, оказывающих наибольшее влияние на выходные параметры процесса, например, структура струи, размеры и конфигурация рабочей зоны, наличие возмущений в потоке, способ ввода сырья, т.е. те, которые должны учитываться или закладываться в определенном варианте при аппаратурно-технологической разработке процесса. Вторая группа относится к исследованиям конкретного процесса, с целью определения его возможностей и оптимального уровня регулируемых параметров при заданном аппаратурном оформлении для разработки систем автоматического управления.

Высокоэффективное управление технологическим процессом плазменного напыления и его оптимизация позволяет существенно повысить качество наносимых покрытий, надежность и долговечность защищаемого оборудования и машин. Поэтому разработка научных основ, построение физико-математических моделей и технологических принципов напыления покрытий является актуальной задачей.

Цель работы - разработка научных подходов для исследования скорости движения и температуры нагрева частиц тугоплавких материалов в плазменных струях с использованием совместного вычислительного и

8 физического эксперимента, и прогнозирование на этой основе отдельных стадий технологий газотермического напыления.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

  1. Построение математической модели ускорения, нагрева и испарения частиц дисперсного материала в плазменной струе.

  2. Построение моделей плазменной струи для различных плазмообразующих газов (аргон, азот и их смеси)

  3. Реализация предложенных модельных представлений и методов оптимизации в виде пакета программ для ЭВМ.

  4. Проведение эксперимента по определению скорости и температуры частиц тугоплавких боридов переходных металлов в плазменном потоке.

  5. Проведение вычислительного эксперимента на основе разработанных модельных представлений, и апробация его результатов в натурном эксперименте.

  1. Исследование численными методами влияния технологических параметров процесса плазменного напыления (мощности дуги; расхода плазмообразующего газа; расхода транспортирующего газа; угла ввода частиц в плазму; состава плазмообразующего газа; размера частиц; давления газа в камере для напыления) на скорость и температуру распыляемых частиц тугоплавких соединений.

  2. Выбор наиболее значимых факторов и расчет оптимальных условий проведения процесса напыления с учетом задаваемых ограничений.

Подобные работы
Трофимов Дмитрий Викторович
Разработка и исследование процесса плазменного напыления однородных металлических покрытий с формированием потока частиц ультразвуковым распылением пруткового материала
Мазанов Константин Владимирович
Исследование процессов ультразвукового электроплазменного напыления биоактивных титан-гидроксиапатитовых покрытий и их модельной резорбции в изотоническом растворе
Семенова Елена Георгиевна
Методология алгоритмизации управления и моделирования процессов оптимизации конструкторско-технологических параметров бортовых комплексов
Тихомиров Андрей Владимирович
Моделирование и оптимизация процесса получения механически легированных композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов
Ненаглядкин Илья Сергеевич
Математическое моделирование и оптимизация процесса получения углеродных нанотрубок :Нановолокон
Морозкин Юрий Николаевич
Математическое моделирование и оптимизация процесса потребительского кредитования
Ву Минь Фыонг 0
Моделирование и оптимизация процесса выпаривания в производстве сахара, применительно к условиям Социалистической Республики Вьетнам
Дегтерев Александр Степанович
Моделирование и оптимизация процессов управления инновационной деятельностью предприятий ВПК
Алкацев Владимир Михайлович
Исследование, моделирование и оптимизация процессов электроэкстракции цинка из растворов и расплавов
Киселев Эдуард Валентинович
Повышение эффективности наукоемких производств на основе системного анализа, моделирования и оптимизации процессов менеджмента качества

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net