Траектория движения частиц титанового порошка различной фракции в плазменном потоке

Введение

Плазменное напыление является одним из эффективных способов получения функциональных покрытий [1; 2]. Контролируя параметры плазмы и условия напыления, можно получить качественные покрытия [3]. Существует значительное количество работ, посвященных анализу влияния параметров процесса напыления на свойства получаемых функциональных покрытий [4–6]. Плазменное распыление является методом производства порошков, используемых в аддитивных технологиях [7–10].

Метод конечных элементов – удобный и точный инструмент для прогнозирования и установления роли воздействующих факторов на процессы получения порошка и нанесения покрытий. Компьютерное моделирование широко востребовано для изучения функциональных покрытий из высокоэнтропийных сплавов, например GdTbDyHoSc и GdTbDyHoY [11]. Для моделирования процессов нанесения покрытий в работах [12–14] использованы программные пакеты ANSYS, SolidWorks и JmarPro. Для моделирования процессов получения порошков плазменным методом применяют ANSYS [15], FLOW-3D [16] и COMSOL [17].

Траектория движения частиц в плазменном потоке оказывает влияние на характеристики покрытий и свойства получаемых порошков, а на нее, в свою очередь, влияет размер частиц порошка, используемого в качестве сырья. Среди воздействующих факторов также можно отметить форму внутреннего канала, которая описывается входящими в состав плазменной головки составных частей, технологические особенности функционирования установки. В опубликованной литературе можно найти сведения о влиянии формы сопла [18], режимов работы [19], способа ввода порошкового материала [20], использования межэлектродной вставки [21] и формы газовых завихрителей [22], однако недостаточно освещено влияние размеров частиц порошкового материала на траекторию их движения в плазменном потоке.

Целью данной работы являлось определение влияния трех фракций (1, 50 и 100 мкм) титанового порошка, используемого в качестве сырья, на траекторию движения частиц в плазменном потоке, направленном вертикально вверх.

Методика исследования

Была создана компьютерная модель плазменной установки, позволяющая прогнозировать параметры плазменного потока, и применен метод конечных элементов с использованием программного пакета SolidWorks Flow Simulation (версия 2016 г.), который зарекомендовал себя как удобный инструмент для вычислительной гидродинамики (CFD), с последующей проверкой результатов компьютерного эксперимента. При решении численным методом применяются уравнения Эйлера и Навье-Стокса. Для учета поверхностных, подповерхностных и серединных процессов, происходящих в потоке, размер конечных элементов сетки разбиения 0,24 мм выбран таким образом, чтобы в наиболее узком месте трехмерной компьютерной модели плазматрона (канал ввода плазмообразующего газа завихрителя диаметром 2 мм) размещались как минимум 8 элементов [23].

Для проведения компьютерного эксперимента создана трехмерная модель на основе лабораторной установки МАК-10, собранной на базе ИМЕТ УрО РАН, описание конструкции и параметров которой представлено на рис. 1.

В качестве исходных данных для компьютерного эксперимента принято:

• расход плазмообразующего газа – 20 л/мин;

• тип газа – аргон;

• давление газа в системе подачи – 2 атм;

• диаметр центрального отверстия завихрителей – 24 мм;

• ввод плазмообразующего газа происходит по тангенциальной схеме через 6 каналов диаметром 2 мм;

• в качестве сырья из библиотеки стандартных материалов программного пакета выбран титановый порошок ВТ1-0 (ГОСТ 19807-91) (мас. %, не более: N – 0,04, C – 0,07, H – 0,01, Fe – 0,25, Ni – 0,04, Si – 0,1, O – 0,2).

Условия наружной среды приняты следующими:

• тип газа – воздух;

• абсолютное давление газа на выходе из анодного узла составляет 98 100 Па, что соответствует высоте расположения г. Екатеринбург;

• температура соответствует комнатной – 293 К.

Траекторию движения частиц в плазменном потоке изучали для частиц размерами 1, 50 и 100 мкм. Массовый расход для каждой фракции составлял 1 г/с.

Применен плазмотрон косвенного действия:

• напряжение – 26 В;

• ток – 250 А;

• направление распыления – вертикально вверх;

• длина реактора – 2,8 м;

• диаметры соответствующих участков – 250 и 500 мм.

Результаты и их обсуждение

На рис. 2 представлены траектории 100 частиц для каждой из трех фракций, размер которых не соответствует масштабу и выбран условно. Принято, что температура, при которой происходит свечение титанового порошка и видны яркие искры, выше 1573 К. При определении ее значения руководствовались справочными данными о цветах каления титана (ярко-красный – 900 °C, желтый – 1200 °C, белый – 1300 °C) [24]. В результате компьютерного моделирования установили длину и ширину факела со светящейся фракцией порошка, температура которой превышает 1573 К, а также максимальную удаленность полета частиц порошка в потоке.

Полученные данные представлены ниже:

Как видно, с увеличением размера частиц уменьшаются длина светящейся фракции и удаленность увлеченных потоком частиц от торца плазмотрона, при этом ширина и угол раскрытия факела плазменного потока возрастают. Это обусловлено влиянием силы тяжести, воздействующей на частицы порошка, увлеченные плазменным потоком. Выявлено, что чем меньше масса частицы порошка, тем длиннее ее траектория полета в потоке и больше удаленность от плазменной головки.

Верификация результатов компьютерного эксперимента выполнена путем проведения двух натурных экспериментов. Цель первого из них заключалась в сравнении ширины и длины факела со светящимися частицами распыляемого на лабораторной установке титанового порошка ПТМ-1 (ТУ 14-22-57-92). По химическому составу он соответствует титановому порошку ВТ1-0, принятому в компьютерном эксперименте (мас. %, не более: N – 0,08, C – 0,05, H – 0,35, Fe + Ni – 0,4, Si – 0,1, Ca – 0,05, Cl – 0,004). Второй натурный эксперимент призван определить температуру плазменного потока при холостом режиме работы плазмотрона (без распыления в ней частиц порошка), что позволит оценить, насколько ее значение, определенное в результате компьютерного эксперимента, соответствует фактическому.

Для каждого из натурных экспериментов проведено по 5 исследований. С целью получения надежных результатов измерений была выполнена статистическая обработка с использованием метода точечных диаграмм размахов с определением их средних значений [25–27].

Для первого натурного эксперимента выполнен гранулометрический анализ титанового порошка ПТМ-1 при помощи CAMSIZER-XT (Германия). Согласно полученным данным 90 % порошка имеют размер менее 91 мкм, 50 % – менее 50 мкм. При этом 98,1 % порошкового материала обладают сферичностью, превышающей коэффициент 0,9 (отношение наименьшего размера (диаметра) частицы к наибольшему), а 90,9 % исследованного порошка имеют сферичность с коэффициентом выше 0,9. Диапазон разброса размеров частиц титанового порошка ПТМ-1 лежал в пределах 1–97 мкм. На рис. 3 представлены данные натурного и компьютерного экспериментов.

При выполнении первого натурного эксперимента приняты следующие данные:

• расход плазмообразующего газа – 20 л/мин;

• тип газа – аргон чистотой 99,993 %, ГОСТ 10157-2016;

• давление газа в системе подачи – 2 атм;

• диаметр центрального отверстия завихрителей – 24 мм;

• ввод плазмообразующего газа осуществлялся по тангенциальной схеме через 6 каналов диаметром 2 мм.

В качестве условий наружной среды принято:

• тип газа – воздух;

• абсолютное давление газа на выходе из анодного узла соответствует высоте расположения г. Екатеринбург и составляет 98 100 Па;

• температура соответствовала комнатной – 293 К.

Траекторию движения частиц в плазменном потоке устанавливали для частиц размерами от 1 до 97 мкм. Массовый расход для каждой фракции составлял 1 г/с. Применен плазмотрон косвенного действия:

• напряжение – 26 В;

• ток – 250 А;

• направление распыления – вертикально вверх;

• длина реактора – 2,8 м;

• диаметры соответствующих участков – 250 и 500 мм.

Замеряли длину и ширину светящейся фракции титанового порошка, которые составили 600 и 65 мм соответственно. Таким образом, отклонение от результатов компьютерного эксперимента не превысило 7,7 %.

При проведении второго натурного эксперимента (холостой режим работы плазмотрона – без использования порошка) изучали температуру плазменного потока на его оси путем поочередного расположения на ней прутков с заведомо известной температурой плавления. Для этого были выбраны 3 прутка диаметром 3 мм из меди М1 (ГОСТ 859-2014), стали 10 (ГОСТ 1050-2013) и лантанированного вольфрама (ТУ 48-19-27-88), которые имели различную температуру плавления. Их поочередно фиксировали таким образом, чтобы один конец прутка был зафиксирован в зажиме, а второй, свободный, находился на оси плазменного потока. Головная часть плазмотрона крепилась в манипуляторе, который обеспечивал его равномерное перемещение вдоль оси по направлению к прутку со скоростью 10 мм/мин. Расстояние от свободного конца прутка до торцевой плоскости анода головной части плазмотрона регистрировалось. Начальное расстояние между свободным концом прутка и головной частью плазмотрона принято равным 0,5 м. В момент, когда на поверхности прутка начинается процесс плавления, зафиксировалось расстояние от прутка до плазмотрона.

Для определения температуры поверхности прутка в месте начала плавления применили оптический пирометр (тип ЭОП-66 № 240, ГОСТ 5.278), который предназначен для точной оценки яркостных температур нагретых тел по их тепловому излучению в диапазоне от 900 до 10 000 °С. Погрешность измерения не превышает 5 °С.

При выполнении второго натурного эксперимента учтены следующие данные:

• расход плазмообразующего газа – 20 л/мин;

• тип газа – аргон чистотой 99,993 % (ГОСТ 10157-2016);

• давление газа в системе подачи – 2 атм;

• диаметр центрального отверстия завихрителей – 24 мм;

• ввод плазмообразующего газа по тангенциальной схеме через 6 каналов диаметром 2 мм.

В качестве условий наружной среды принято:

• тип газа – воздух;

• абсолютное давление газа на выходе из анодного узла соответствует высоте расположения г. Екатеринбург и составляет 98 100 Па;

• температура соответствовала комнатной – 293 К.

Применен плазмотрон косвенного действия:

• напряжение – 26 В;

• ток – 250 А;

• направление распыления – вертикально вверх;

• длина реактора – 2,8 м;

• диаметры соответствующих участков – 250 и 500 мм.

Полученные в результате второго натурного эксперимента данные показали, что у каждого из прутков плавление начинается при температуре, соответствующей справочным данным для каждого материала прутка с незначительным отклонением от нее и не превышающей 22 К. Подробное описание проведенного эксперимента представлено в работе [28]. Результаты приведены на рис. 4 и в таблице.

Таким образом, сравнительный анализ компьютерного и натурного экспериментов показал удовлетворительное согласие – расхождение не превышает 5 %.

Заключение

Проведен сравнительный анализ траектории движения частиц титанового порошка различной фракции в плазменном потоке, направленном вертикально вверх. Продемонстрировано, что от размера частиц порошка зависят длина и ширина святящейся фракции, угол раскрытия плазменного факела, удаленность увлеченных плазменным потоком частиц от плазменной головки, что необходимо учитывать в процессах нанесения покрытий и производства порошка.

Создана компьютерная модель, описывающая лабораторную плазменную установку для нанесения функциональных покрытий и получения порошковых материалов. При производстве порошка эта модель может быть использована для прогнозирования итогов процесса распыления. На ее основе можно определить рациональную форму и размеры реактора (камеры приема распыляемого порошка): сократить внутренний объем и при этом избежать негативного эффекта налипания на внутренние поверхности стенок расплавленных частиц. Это важно для уменьшения металлоемкости технологического оборудования и габаритов установки, а также снижения затрат на их эксплуатацию при использовании инертных газов, которыми заполняется внутреннее пространство приемной камеры. Рациональная форма последней сокращает себестоимость единицы произведенного порошка и предотвращает загрязнение внутренних поверхностей реактора.

При направлении плазменного потока вертикально вверх из-за действия силы тяжести происходит естественная сепарация распыляемого порошка по фракциям: более мелкие частицы имеют больший радиус разброса, а крупные распределяются ближе к оси плазменной струи. Этот эффект можно использовать при сборе порошкового материала в зависимости от размера получаемых частиц. В качестве модернизации конструкции приемной камеры предлагается предусмотреть в ее внутреннем пространстве дополнительные стенки, на которые будут осаждаться частицы заданного размера.

Таким образом, использование влияния силы тяжести при реализации схемы распыления по направлению вертикально вверх может быть дополнительным инструментом для сепарации производимого порошкового материала.

Итоги исследования будут полезны при нанесении функциональных покрытий, поскольку с их помощью можно определять рациональное положение подложки, на которую они наносятся. Компьютерная модель позволяет прогнозировать угол раскрытия факела плазменного потока и его ширину в зависимости от удаления от плазматрона. Руководствуясь полученными данными, можно оценить площадь наносимого покрытия и количество проходов плазмотрона, требуемых для покрытия обрабатываемой поверхности, а также учесть температуру распыляемых частиц и определить рациональное расстояние подложки относительно плазменной головки и ее наклон.

Благодаря свойству тепла подниматься вверх (из-за разности давлений разогретого газа) реализация процесса распыления вертикально вверх имеет преимущество по сравнению с режимом, в котором плазменный поток направлен вертикально вниз: тепловой поток от плазмы устремляется в направлении подложки, которая размещается выше плазматрона, и не приводит к нежелательному перегреву коммуникаций плазменного оборудования, что сокращает риск отказа плазмотрона. Кроме того, при направлении плазменного потока вверх подложка прогревается лучше.

Представленные рекомендации имеют практическую пользу для потребителей и разработчиков технологического оборудования, применяемого как для процессов нанесения покрытий, так для производства порошков. С помощью компьютерной модели можно прогнозировать результаты ведения процесса и управлять ими, регулируя воздействующие факторы.

Верификация результатов компьютерного эксперимента выполнена путем проведения натурного эксперимента. Результаты сравнительного анализа их итогов показали удовлетворительную сходимость.