Импульсные потоки в электротермическом ускорителе и их воздействие на элементы конструкции

Уникальные возможности устройств мощной импульсной электрофизики позволяют им находить чрезвычайно широкое применение в научных исследованиях и современных технологиях. Одним из таких применений является использование импульсных электротермических ускорителей для ускорения микрочастиц порошковых материалов с целью нанесения покрытий на поверхность различных изделий.

Лучшие образцы износостойких, жаропрочных и иных специальных покрытий из порошковых материалов обладают значениями пористости, приближающимися к 1%, и адгезии, доходящими до ЮМГТа. Подобные покрытия получают с помощью установок газо-термического напыления. Здесь можно отметить HVOF (High Velocity Oxy-Fuel) установки, детонационные пушки и плазмотроны. Вместе с тем наибольшие значения скорости микрочастиц в плазмотронах составляет 0,6 км/с, в детонационных пушках -1 км/с, в HVOF-установках — 1,2 км/с, что ограничивает дальнейшее увеличение адгезии. Имеются ограничения на минимальный размер микрочастиц порошков, препятствующие росту плотности покрытий. Данные установки не позволяют осуществлять глубокую и независимую регулировку скорости и температуры нагрева микрочастиц, что ограничивает диапазон технологического применения данных установок. HVOF-установки, обладающие наилучшими параметрами, требуют весьма большого расхода горючих компонент: десятков л/час кислорода, и десятков л/час керосина. Они, как и детонационные установки, требуют специальных мер по обеспечению взрывобезопасности.

Первые работы по применению импульсных плазменных ускорителей для нанесения покрытий из порошковых материалов появились в конце семидесятых годов прошлого века [1−3]. Эти ускорители представляли собой коаксиальные рельсотроны, разрядный промежуток которых образован коаксиальными коническими или цилиндрическими электродами [4−6]. Появившиеся позже разработки [7] продемонстрировали принципиальную возможность ускорения и нагрева микрочастиц порошка с помощью импульсных электродинамических и электротермических ускорителей.

Новые результаты по применению электротермических ускорителей для нанесения покрытий из порошковых материалов были получены в результате проведенных исследований в МИФИ [8−10]. В частности, был разработан способ ускорения микрочастиц областью ударно-сжатого газа в импульсном потоке, генерируемом в электротермическом ускорителе, а также способы формирования этой области. Полученные результаты позволяют начать разработку прототипа промышленного образца установки, которая будет обладать рядом принципиальных преимуществ перед установками газотермического напыления: плазмотронами, детонационными пушками, НУОР-установками. Среди этих преимуществ можно отметить следующие:

— существенно более высокие скорости внедрения микрочастиц в подложку (в2т 3 раза выше существующих), что ведет к резкому улучшению качества покрытий;

— возможность независимой регулировки скорости и температуры нагрева микрочастиц, а также реализации заданного температурного режима ускорения;

— возможность нанесения покрытий в контролируемой по составу и давлению среде, в т. ч. в атмосферных условиях и в среде инертных газов;

— использование электрической энергии, которая экологически чище и безопаснее горючих газов;

— простота регулировки, перестройки режимов работы и адаптации к различным условиям нанесения покрытий.

Установка на базе импульсного электротермического ускорителя способна ускорять микрочастицы мелких и средних фракций (1 мкм и более) и имеет потенциальные возможности ускорять микрочастицы с размерами менее 1 мкм. Внутренний диаметр ствола установки может составлять величину от единиц миллиметров до 15 4- 20 мм. Частота выстрелов определяется мощностью энергопитания установки, долговечностью ее узлов и может достигать десятков Гц, при этом средняя производительность нанесения покрытий не уступает детонационным установкам: 1,5 5 кг/час. Установка обладает малыми габаритами (0,5×0,5×1 м), при этом имеется возможность размещать ее ускорительный блок в робототехнических устройствах.

Высокие скорости внедрения микрочастиц в подложку являются одним из наиболее важных факторов, влияющих на качество покрытий. При более высоких скоростях покрытия получаются более плотными, твердыми и однородными, имеют более низкую пористость, более высокую адгезию и когезию, меньшие вносимые напряжения. Имеются потенциальные возможности создавать покрытия с рекордными значениями адгезии — более ЮМПа и пористости — менее 0,1%. Высокие скорости микрочастиц порошковых материалов дают также возможность отказаться от предварительной пескоструйной обработки подложки и значительно облегчить ее предварительную термическую обработку, что расширяет диапазон применения такой технологии. Кроме этого, высокие скорости позволяют получать высококачественные покрытия при больших углах наклона напыления. Температуры ускоряющих потоков позволяют доводить до плавления практически любой порошковый материал. Установка имеет потенциально большие возможности для нанесения комплексных покрытий, например, используя различные точки инжекции, можно создавать «слоеные» или комбинированные покрытия. Как было отмечено выше, установка способна наносить покрытия из мелкодисперсных порошков (1 мкм и менее), которые в последнее время привлекают к себе повышенное внимание. Малые размеры пятен на подложке (1 -ь 2 мм), которые способна реализовать установка, позволяют создавать точечные покрытия, весьма актуальные в ряде приложений.

Отмеченные преимущества рассматриваемого способа нанесения покрытий и возможности установки позволяют создавать покрытия с уникальными свойствами и реализовать перспективные многофункциональные технологии, недоступные другим способам.

Разработанный в МИФИ новый способ ускорения микрочастиц в импульсном газоплазменном потоке был использован также при разработке установки по нанесению покрытий на основе рельсотронного электродинамического ускорителя [11]. Этот же принцип использован в предложенном электротермическом ускорителе с предварительно создаваемым импульсным газовым давлением в стволе [12]. Среди работ, посвященных данной проблеме, можно выделить результаты исследований по ускорению больших масс порошковых материалов (единицы грамм) в импульсных электротермических ускорителях [13]. Следует также отметить, что рынок сбыта технологии газотермического напыления динамично развивается и его объем составляет десятки млрд. долларов ежегодно.

В диссертации рассмотрены вопросы, связанные с созданием установки на основе импульсного электротермического ускорителя по нанесению покрытий из порошковых материалов, предназначенной для работы в промышленных условиях.

Целью диссертации является:

1. Создание физической модели и анализ на ее основе динамики ускорения и нагрева микрочастиц в различных областях импульсного потока аргоновой и воздушной плазмы.

2. Анализ формирования области ударно-сжатого газа импульсного потока в ускорителе с бустерной частью ствола.

3. Создание экспериментального макета, исследование эрозионного износа электродов в разрядном узле ускорителя, поискконфигураций электродов, минимизирующих эрозионный износ.

4. Создание физических моделей абляционных процессов в разрядном узле ускорителя.

5. Теоретическое и экспериментальное исследование абляционного износа диэлектрических стенок разрядного промежутка.

6. Экспериментальные исследования ресурса работы элементов разрядного узла ускорителя и методов его увеличения.

7. Теоретическое и экспериментальное исследования по оптимизации размеров и конфигурации разрядного промежутка ускорителя.

8. Анализ тепловых процессов в элементах конструкции ускорителя.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Впервые проведен анализ динамики ускорения и нагрева микрочастиц в различных частях импульсного потока аргоновой плазмы, установлены времена полного проплавления микрочастиц и их скорости на момент полного проплавления.

2. Впервые определены параметры области ударно-сжатого газа, формируемой в бустерной области ствола ускорителя. Показано, что протяженность данной области увеличивается в 4+5 раз по сравнению с мультиразрядной схемой разрядного узла.

3. Впервые экспериментально показано, что введение профилированных электродов в разрядный узел снижает их эрозионный износ более чем на порядок и позволяет реализовать безаварийную работу установки в течение нескольких рабочих смен.

4. Впервые разработаны физические модели, позволяющие определить влияние теплового излучения аргоновой плазмы на абляционный износ диэлектрических стенок разрядного промежутка, теоретически и экспериментально показано, что аблирующие слои проникают вглубь корундовых изоляторов на достаточно малую глубину, не превышающую 1+2 мкм, а сам износ для рассматриваемых уровней запасенной энергии составляет 1+2 мг/имп.

5. Впервые показано, что введение в цепь импульсного электропитания разрядного промежутка управляемого вакуумного разрядника позволяет снять ограничения на стабильную работу разрядного промежутка.

6. Впервые показано, что оптимизация размеров и конфигурации разрядного промежутка позволяет снизить на треть величину запасенной энергии, снизить эрозионные и абляционные потери, поднять эффективность преобразования энергии в два раза при сохранении скорости ударной волны.

7. Впервые показано, что увеличение внешнего диаметра корундовых изоляторов в разрядном промежутке и охлаждение их водой позволяет реализовать режим работы разрядных узлов и ускорительного тракта при частотах следования импульсов 15 Гц и выше.

Практическая ценность.

Полученные в работе результаты позволяют создать промышленный образец установки по нанесению покрытий из порошковых материалов, которая имеет существенные преимущества перед аналогами — установками газотермического напыления: газопламенными, детонационными, плазмотронными и НУОР-установками. Использование бустерной части ствола позволяет осуществить практически независимую регулировку скорости микрочастиц и температуры их нагрева, производить перестройку ускорителя для различных режимов работы и адаптировать его к различным технологическим и производственным процессам. Это дает возможность проводить ускорение микрочастиц с широким диапазоном материалов и размеров и создавать покрытия с уникальными характеристиками.

На защиту выносится.

1. Результаты анализа ускорения и нагрева микрочастиц в различных областях импульсных потоков аргоновой и воздушной плазмы.

2. Результаты анализа динамики импульсных потоков и формирования области ударно-сжатого газа в ускорителе с бустерной частью ствола.

3. Результаты исследования электроэрозионных процессов в разрядном узле электротермического ускорителя с прямыми и профилированными электродами.

4. Результаты моделирования и экспериментального исследования воздействия теплового излучения плазмы разряда на диэлектрические стенки разрядного промежутка ускорителя.

5. Результаты экспериментального исследования ресурса работы разрядного узла ускорителя с различными схемами построения разрядных узлов.

6. Результаты оптимизации размеров и конфигурации разрядного промежутка ускорителя для повышения его эффективности и ресурса работы.

7. Результаты расчетного и экспериментального исследования теплового режима элементов конструкции разрядного узла и ускорительного тракта.

Достоверность научных результатов подтверждается сравнением результатов расчетов с использованием разработанных моделей с многократно повторенными экспериментальными измерениями различных параметров ускорителя, дублированием измерений посредством использования различных экспериментальных методик.

Апробация работы.

Основные результаты и положения диссертации были представлены на следующих симпозиумах и конференциях:

IIth International Symposium on Electromagnetic Launch Technology, Saint.

Louis, France, 14−19 May, 2002;

12th International Symposium on Electromagnetic Launch Technology,.

Snowbird, Utah, USA, 25−28 May, 2004;

15th IEEE International Pulsed Power Conference (PPC-2005), Monterey,.

California 13−17 June, 2005;

Научная сессия МИФИ-2002, Москва, МИФИ, 21−25 января 2002 г.;

Научная сессия МИФИ-2003, Москва, МИФИ, 27−31 января 2003 г.;

Научная сессия МИФИ-2004, Москва, МИФИ, 26−30 января 2004 г.;

Научная сессия МИФИ-2005, Москва, МИФИ, 24−28 января 2005 г.;

XIV научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (ДАТЧИК-2002)», Судак, Украина, 24−31 мая 2002 г.;

XVI научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (ДАТЧИК-2004)», Судак, Украина, 24−31 мая 2004 г.;

XIX Международный семинар по ускорителям заряженных частиц, Алушта, Украина, 12−18 сентября 2005 г.,.

Публикации.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 10 работах.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 70 источников.

Основные результаты диссертации сводятся к следующему:

1. Разработана физическая модель динамики микрочастиц в потоке аргоновой плазмы. На основе данной модели показано, что ускорение микрочастиц в высокотемпературной плазменной части потока приводит к быстрому неконтролируемому их нагреву вплоть до температуры испарения.

2. Проведен анализ ускорения микрочастиц порошковых материалов в области ударно-сжатого газа (ОУСГ) импульсного потока. Получены параметры ОУСГ, необходимые для ускорения микрочастиц в этой области и их контролируемого нагрева.

3. Проведен анализ формирования ОУСГ с помощью классического электротермического ускорителя с одним разрядным промежутком и однородным стволом, ускорителя с мультиразрядной схемой разрядного узла и ускорителя с бустерной частью ствола — дополнительной цилиндрической полостью. Показано, что последний способ позволяет получить протяженность ОУСГ, значительно превышающую аналогичную величину для ускорителя с однородным стволом при одинаковых значениях ее скорости.

4. Разработан и создан макет электротермического ускорителя для исследования эрозионного и абляционного износа разрядного узла. С помощью данного макета показано, что для профилированных электродов эрозионный износ снижается более, чем на порядок. В то же время использование подобных электродов не приводит к заметному снижению скорости ударной волны.

5. Разработаны одномерная модель динамики импульсных газовых потоков аргоновой плазмы, использующая изобарическое приближение, и одномерная модель абляционных процессов на основе решения уравнения теплопроводности. С помощью этих моделей показано, что основной перепад температур образуется в узком слое керамических изоляторов, а сами аблирующие слои проникают на глубину 1-г2 мкм. Расчеты не продемонстрировали заметного различия в абляционном износе различных материалов керамик. Экспериментальное исследование абляционного износа корундовых изоляторов показало удовлетворительное соответствие с расчетными значениями.

6. Разработаны и созданы макеты электротермического ускорителя, построенные по двухи трехэлектродной схеме разрядного узла, в том числе и с внешним ключом, в качестве которого использован вакуумный управляемый разрядник РВУ-27. Проведенные ресурсные испытания данных макетов, которые заключались в определении максимального количества срабатываний разрядного промежутка показали, что ускоритель, построенный по трехэлектродной схеме разрядного узла с внешним ключом в основном разрядном промежутке снимал все ограничения на нестабильную работу промежутка.

7. Проведенный анализ влияния геометрических параметров разрядного узла (диаметра и протяженности его капиллярной части) на эффективность преобразования энергии, а также на эффективность ускорения микрочастиц показал, что уменьшение диаметра капиллярной части промежутка приводит к увеличению КПД преобразования энергии и повышению скорости генерируемой ударной волны при фиксированной величине запасенной в накопителе энергии. Изменение длины разрядного промежутка имеет значительно меньшее влияние на эффективность ускорителя. Эксперименты подтвердили расчетные выводы и продемонстрировали опасность разрушения керамических втулок из-за возрастания давления в промежутке вследствие уменьшения его диаметра. В этой связи были исследованы секционированные изоляторы, которые показали хорошую механическую прочность и сохранение электро и газодинамических параметров промежутка.

8. Проведенный анализ тепловых процессов в разрядном узле электротермического ускорителя с помощью пакета прикладных программ ANSYS 8.0, показал, что для типичных значений запасенной энергии уже для частоты разрядов 4 Гц керамические изоляторы достигают температуры плавления через 5 минут.

Введение

 же охлаждения этих изоляторов проточной водой позволяет разрядному узлу уверенно работать при частотах 15 Гц и выше. Экспериментальное исследование температур нагрева элементов конструкции разрядного узла, проведенные для частоты 0,5 Гц подтвердили соответствующие расчетные значения.

Хотелось бы искренне поблагодарить моего научного руководителя профессора Э. Я. Школьникова, который предоставил данную тему исследования и создал благоприятные условия для работы над ней, а также оказал огромную помощь при написании данной работы и неизменно поддерживал при любых обстоятельствах. Также необходимо выразить признательность доценту С. П. Масленникову за постоянное плодотворное сотрудничество и неоценимую помощь в экспериментальной деятельности. Благодарю инженера-программиста A.B. Чеботарева за сотрудничество в разработке теоретических моделей. Большое спасибо выпускникам С. Т. Антоневичу, А. Е. Юдину и Д. Ю. Шатилову за ценную помощь в работе. Хотелось бы поблагодарить аспиранта Д. В. Петрова за плодотворное обсуждение работы на всем протяжении деятельности. Спасибо секретарям кафедры электротехники О. В. Окуневой и Т. П. Камыниной, а также зав. лабораториями Е. В. Карасевой и зам.зав.кафедры H.H. Нечаеву за организационную помощь. Все без исключения сотрудники кафедры электротехники МИФИ всегда были открыты для помощи и совета, проявляли заботу и интерес, оказывали неоценимую поддержку. Всем им выражаю искреннюю признательность.

Заключение

.