Порядок выполнения работы и оформление результатов

Лабораторная работа № 6

 

Изучение особенностей компьютерного моделирования ускорения и нагрева порошковых материалов при плазменном напылении с использованием программного комплекса "CASPS"

 

Цель работы: изучить методику выбора оптимальных параметров режима плазменно-порошкового напыления покрытий с использованием программного обеспечения “Casps”.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Выбор параметров режима плазменного напыления покрытий может осуществляться различными способами – прямым экспериментом; расчетным путем; комбинацией расчетов и экспериментов. Реализация экспериментального метода определения и оптимизации параметров режима плазменно-порошкового напыления связана с определенными трудностями, которые обусловлены большим количеством факторов, влияющих на качество покрытий. К таким факторам относятся: состав и расход плазмообразующего газа; расход порошка; способ ввода порошка в плазменную струю; дисперсный состав и степень полидисперсности порошка; ток дуги плазмотрона; дистанция напыления; расход транспортирующего газа и пр. Ввиду большого количества варьируемых факторов экспериментальный метод определения оптимальных параметров режима плазменно-порошкового напыления характеризуется значительными затратами времени и средств, причем не всегда можно полагаться на то, что достигнут действительно наилучший результат. В связи с этим все большее внимание обращает на себя разработка систем компьютерного моделирования процесса плазменного напыления, позволяющих выполнить объективный анализ влияния различных факторов на условия нагрева и движения частиц в плазменной струе, а также выбрать наиболее рациональную комбинацию этих факторов. Такое использование компьютерного моделирования представляет собой реальный путь перехода от чисто экспериментального подхода, применяемого при отработке технологии плазменного нанесения покрытий, к автоматизированному выбору и оптимизации параметров режима напыления.

При разработке компьютерных моделей процесса плазменного напыления можно выделить два подхода: с одной стороны, детальное теоретическое исследование и численное моделирование отдельных физико-химических явлений, с другой – создание математических моделей и программного обеспечения для компьютерного моделирования процесса в целом. Примером второго подхода служит программное обеспечение CASPS (версии 2.0 и 3.1), разработанное в ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины. Оно предназначено для компьютерного моделирования турбулентных плазменных струй, используемых при нанесении покрытий, а также моделирования нагрева и движения напыляемых частиц в таких струях.

Данное программное обеспечение представляет собой пакет прикладных программ, состоящий из двух взаимосвязанных модулей:

•Моделирование плазменной струи.

•Моделирование нагрева и движения напыляемых частиц.

Первый модуль предназначен для моделирования дозвуковых плазменных струй, генерируемых плазмотронами косвенного действия и истекающих в открытое пространство. Этот модуль позволяет рассчитывать и отображать на дисплее пространственные распределения температуры и скорости плазменной струи в зависимости от геометрических размеров сопла-анода плазмотрона и параметров режима его работы (ток дуги, состав и расход плазмообразующего газа).

Второй модуль служит для моделирования процессов нагрева и ускорения частиц в плазменной струе с предварительно вычисленными пространственными распределениями температуры и скорости плазмы. Он позволяет рассчитывать и отображать траекторию, скорость и параметры теплового состояния напыляемой частицы в зависимости от состава ее материала, начального диаметра и условий ввода в плазменную струю. В версии CASPS 3.1 предусмотрена возможность учета снижения температуры и скорости плазменной струи за счет загрузки последней напыляемым материалом.

Разработанное программное обеспечение имеет англоязычный Windows 9Х/NT/2000 интерфейс пользователя, который включает следующие системы для каждого модуля:

· Управляющее меню.

· Система ввода - вывода и обработки данных.

· Система графического отображения и печати результатов моделирования.

· Система помощи.

Новая версия программного обеспечения допускает также выбор различных единиц измерения для вводимых и выводимых данных:

· Размеры (см\in);

· Температура (K\F\C);

· Расход газов (л/мин\SСFН):

· Расход порошков (кг/ч\ lb/ hr).

Наконец, она позволяет моделировать процесс плазменного напыления при использовании различных плазмообразующих сред:

•Ar • N₂ • Аг + Н₂ • Аг + Не,

а также напыляемых материалов:

•А1 • Си • Мо • Ni • Ti • А1₂Оз • Сг₂О₃ • Fe₃O₄ • TiO₂ • ZrO₂ • Сг₃С₂ • TiC • WC • CaF₂ • AlCuFe.

Моделирование плазменной струи. В основе расчетных программ для первого модуля CASPS лежит математическая модель газодинамики и теплообмена для турбулентного течения дуговой плазмы, описываемого системой магнитогазодинамических (МГД) уравнений. Известно, что особенностью плазменных потоков, создаваемых плазмотронами косвенного действия, является наличие двух участков течения, которые отличаются по характеру протекающих физических явлений. На первом участке происходит нагрев и ускорение плазмообразующего газа электрической дугой (электродуговой участок), на втором участке – инерционное движение плазмы (инерционный участок). Тепловые и газодинамические характеристики плазменной струи определяются в основном процессами на электродуговом участке течения, которые в свою очередь зависят от конструкции и режима работы плазмотрона. Поэтому корректное описание и компьютерное моделирование плазменных струй, используемых для нанесения покрытий, невозможно без учета всего комплекса электродуговых процессов, протекающих в плазмотроне.

Моделирование нагрева и ускорения напыляемых частиц порошка. В основе расчетных программ для второго модуля CASPS лежит математическая модель нагрева и движения напыляемой частицы, которая описывается нестационарным нелинейным уравнением теплопроводности и уравнением движения частицы в потоке плазмы. Основным допущением, использованным при построении данной математической модели, является то, что частица имеет сферическую форму, а распределение температуры в ее объеме является сферически-симметричным.

 

Порядок выполнения работы и оформление результатов

 

1. Ознакомиться с интерфейсом программного комплекса CASPS.

2. Используя диалоговое окно, ввести исходные данные для моделирования параметров плазменной струи (плазмообразующий газ или состав смеси, диаметр сопла-анода, длину анодного канала, величину тока дугового разряда, расход плазмообразующего газа).

3. Дать команду на расчет и получить результаты моделирования параметров плазменной струи в графическом виде (радиальное и осевое распределение температуры и скорости плазменного потока).

4. Используя следующее диалоговое окно, ввести исходные данные для моделирования нагрева и ускорения напыляемых частиц порошка (материал порошка, диаметр частиц, радиальные и осевые координаты и угол ввода порошка в плазму, дистанция напыления).

5. Дать команду на расчет и получить результаты моделирования процессов нагрева и ускорения напыляемых частиц порошка в графическом виде (траектория движения частиц и КИМ, распределение изотерм в диаметральном сечении частицы при заданном значении дистанции напыления).

6. Варьируя исходные данные, определить компьютерным моделированием оптимальные параметры режима напыления (максимальная скорость движения частицы при ее полном расплавлении).

7. Сделать вывод о влиянии параметров режима напыления на условия нагрева и ускорения частиц порошка.

 

Контрольные вопросы

 

1. Назовите основные параметры режима плазменно-порошкового напыления покрытий.

2. Какие материалы используются для напыления покрытий? Как влияют теплофизические свойства порошков (теплопроводность, теплоемкость, плотность) на процесс нагрева и ускорения частиц в плазменном потоке?

3. Каким образом влияют добавки водорода и азота к аргону на теплопроводность и теплосодержание плазмы?

4. Каким образом изменяется падение напряжение на дуге и электрическая мощность дугового разряда при добавке к аргону водорода и азота?

5. Каким образом влияет на траекторию движения частиц в плазменной струе расход транспортирующего газа?

6. Чем ограничена минимальная величина дистанции напыления?

7. Какие способы ввода порошка в плазму позволяет моделировать программный комплекс CASPS?

8. Каково влияние способа ввода порошка в плазму на интенсивность нагрева и ускорения частиц?

9. Как влияет фракционный состав порошка на интенсивность нагрева и ускорения частиц?

10.  От каких факторов зависит коэффициент использования материала при плазменно-порошковом напылении?

11.  По каким критериям определяются оптимальные параметры режима плазменно-порошкового напыления?

12.  Какими факторами ограничен максимальный расход порошка и плазмообразующего газа при плазменно-порошковом напылении?