satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2018-17-3-177-182sat-1675Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGРАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОТОКА ЧАСТИЦ ПРИ ПЛАЗМЕННОМ НАПЫЛЕНИИ СМЕСИ САМОФЛЮСУЮЩЕГОСЯ ПОРОШКА И КЕРАМИКИCALCULATION OF PARTICLES FLOW TEMPERATURE DURING PLASMA SPRAYING OF MIXTURE CONSISTING OF SELF-FLUXING POWDER AND CERAMICSКалиниченкоА. С.KalinichenkoA. S.

Доктор технических наук, профессор

Адрес для переписки: Калиниченко Александр Сергеевич – Белорусский национальный технический университет, просп. Независимости, 65, 220013, г. Минск. Тел.: +375 17 296-66-86    akalinichenko@bntu.by

Address for correspondence: Kalinichenko Alexander S. – Belarusian National Technical University, 65 Nezavisimosty Ave.,220013, Minsk, Republic of Belarus. : +375 17 296-66-86.    akalinichenko@bntu.by

 

akalinichenko@bntu.byКривошеевЮ. К.KrivosheyevYu. K.

Кандидат физико-математических наук

МешковаВ. В.MeshkovaV. V.

Инженер

ДевойноО. Г.DevoinoO. G.

Доктор технических наук, профессор

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus201831052018173177182Copyright © Калиниченко А.С., Кривошеев Ю.К., Мешкова В.В., Девойно О.Г., 20182018Калиниченко А.С., Кривошеев Ю.К., Мешкова В.В., Девойно О.Г.Kalinichenko A.S., Krivosheyev Y.K., Meshkova V.V., Devoino O.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sat.bntu.by/jour/article/view/1675

Плазменное напыление является одним из эффективных методов, позволяющих как восстанавливать изношенные поверхности деталей, так и создавать износостойкие покрытия на новых деталях с целью увеличения срока их службы. Свойства создаваемых покрытий зависят от ряда параметров, таких как температура плазмы, химический и фракционный составы напыляемой смеси, расстояние от плазмотрона до поверхности и др. Математическое моделирование процесса позволяет значительно снизить стоимость отработки технологических режимов и широко используется в настоящее время для расчета технологических параметров. В настоящей работе была поставлена цель проведения математического моделирования для определения влияния содержания вводимой керамики на изменение температуры потока частиц, а также нахождения режима, при котором частицы высокотемпературной керамики будут в жидком состоянии при осаждении на поверхность изделия. Сформулирована математическая модель нагрева частиц в плазме и составлена система уравнений, которая решалась численно в пакете MathCad стандартной процедурой с использованием функции Rkadapt. Расчеты проводились для объемной концентрации керамики Al2O3 в смеси от 5 до 50 % и для температуры плазмы на выходе из плазмотрона в интервале от 6000 до 10000 К. Вычисления показали, что концентрация керамики не влияет значительно на температуру смеси. Температура частиц в большей мере зависит от температуры плазмы. Определено, что для всего диапазона расчетных величин температура самофлюсующегося порошка при контакте с подложкой превышает температуру плавления. Фракционный размер частиц оказывает сильное влияние на температуру частиц в момент соприкосновения с подложкой. Определены зависимости температуры керамической фазы от размера частиц при различных концентрациях и температуре плазмы. Анализ микроструктур покрытий показал хорошую корреляцию с результатами расчета.

Plasma spraying is one of the most effective methods allowing both to restore worn surfaces of parts and create wearresistant coatings on new parts aiming the increase of their service life. Properties of the produced coatings depend on number of parameters, such as a plasma temperature, a chemical and fractional composition of the sprayed mixture, a distance from a plasma torch to the surface of a part, etc. Mathematical modeling of the process can significantly reduce the cost of processing of technological modes and is widely used at present for a calculation of technological parameters. The paper is devoted to mathematical simulation aiming to determine an effect of the injected ceramics content on the change in a temperature of a particles flow, as well as finding the modes in which the particles of high-temperature ceramics will be in the liquid state when they are deposited on the surface of a product. A mathematical model of particles heating in plasma has been formulated and a system of equations has been compiled. The system of equations has been solved numerically in Mathcad by a standard procedure using the Rkadapt function. Calculations have been carried out for a volume concentration of Al2O3 ceramics in a mixture from 5 to 50 % and for a plasma temperature at the exit from the plasma torch in the range from 6000 to 10000 K. Calculations have shown that the concentration of ceramics does not significantly affect the temperature of a mixture. The temperature of the particles depends to a large extent on the temperature of the plasma and the diameter of particles. It has been determined that for the entire range of calculated values the temperature of the self-fluxing powder in contact with the substrate exceeds a melting point. Fractional particle size has a strong effect on the temperature of particles at the moment of contact with the substrate. The dependences of a temperature of the ceramic phase on the particle size at different concentrations and plasma temperature have been determined. Analysis of the coatings microstructures has shown a good correlation with the results of the calculation.

plasma sprayingceramic phasemathematical modelingtemperature of particlesmicrostructureReferencesNejat Y. S. Improvement of Wear Resistance of Wire Drawing Rolls with Cr–Ni–B–Si+WC Thermal Spraying Powders / Y. S. Nejat, Y. Muharrem // Surface & Coatings Technology. 2008. Vol. 202, No 13. P. 3136–3141.Nejat Y. S., Muharrem Y. (2008) Improvement of Wear Resistance of Wire Drawing Rolls with Cr–Ni–B–Si+WC Thermal Spraying Powders. Surface and Coatings Technology, 202 (13), 3136–3141. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2007.11.022.Калиниченко, А. С. Влияние содержания оксидной керамики на структуру и свойства никельхромовых плазменных покрытий / А. С. Калиниченко, О. Г. Девойно, В. В. Мешкова // Современные методы и технологии создания и обработки материалов: сб. науч. тр.: в 3 кн. / редкол. С. А. Астапчик (гл. ред.) [и др.]. Минск: ФТИ НАН Беларуси, 2015. Кн. 2: Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки. С. 171–174.Kalinichenko A. S., Devoino O. G., Meshkova V. V. (2015) Influence of Oxide Ceramics Content on Structure and Properties of Nickel-Chrome Plasma Coatings. Sovremennye Metody i Tekhnologii Sozdaniya i Obrabotki Materialov: Sb. Nauch. Trudov. Kn. 2. Tekhnologii i Oborudovanie Mekhanicheskoi i Fiziko-Tekhnicheskoi Obrabotki [Modern Methods and Technologies for Development and Treatment of Materials: Collection of Research Papers. Book 2. Technologies and Equipment for Mechanical and Physical-Technical Treatment]. Minsk, PhysicalTechnical Institute of the National Academy of Sciences of Belarus, 171–174 (in Russian).Arc Plasma Torch Modeling / J. P. Trelles [et al.] // Modeling. Journal of Thermal Spray Technology. 2009. Vol. 18, Nо 5–6. P. 728–752. https://doi.org/10.1007/s11666-009-9342-14.Trelles J. P., Chazelas C., Vardelle A., Heberlein J. V. R. (2009) Arc Plasma Torch Modeling. Journal of Thermal Spray Technology, 18 (5–6), 728–752. https://doi.org/10.1007/s11666-009-9342-14.Mathematical Modeling and Numerical Simulation of Splat Cooling in Plasma Spray Coatings / H. Fukanuma [et al.] // Journal of Thermal Spray Technology. 2009. Vol. 18, No 5–6. P. 965–974. https://doi.org/10.1007/ s11666-009-9366-6.Fukanuma H., Huang R., Tanaka Y., Uesugi Y. (2009) Mathematical Modeling and Numerical Simulation of Splat Cooling in Plasma Spray Coatings. Journal of Thermal Spray Technology, 18 (5–6), 965–974. https://doi.org/10.1007/s11666-009-9366-6.Berce, A. Simulation of Thermal Spraying in IPS Virtual Paint. Master’s Thesis. Chalmers Reproservice [Electronic Resource] / А. Berce. Sweden, Goteborg, 2011. Mode of access: http://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/152889.pdf. Date of Access: 06.09.2017.Berce A. (2011) Simulation of Thermal Spraying in IPS Virtual Paint. Master’s Thesis in Solid and Fluid Mechanics. Sweden, Goteborg. Available at: http://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/152889.pdf. (Accessed 6 September 2017).Sadovoy, A. Modeling and Offline Simulation of Thermal Spray Coating Process for Gas Turbine Applications [Electronic Resource] / А. Sadovoy. Darmstadt, 2014. Mode of access: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4042/1/Modeling%20and%20offline%20simulation%20of%20thermal%20spray%20coating%20process%20for%20gas%20turbine%20applications%20-%201400617d%20final.pdf. Date of Access: 06.09.2017.Sadovoy A. (2014) Modeling and Offline Simulation of Thermal Spray Coating Process for Gas Turbine Applications. Available at: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4042/1/Modeling%20and%20offline%20simulation%20of%20thermal%20spray%20coating%20process%20for%20gas%20turbine%20applications%20-%201400617d%20final.pdf (Accessed 6 September 2017).Моделирование процесса плазменного напыления покрытий на детали транспортных машин в режиме модуляции мощности дуги плазмотрона / А. М. Кадырметов [и др.] // Научный журнал КубГАУ. 2012. Т. 84, № 10. С. 1–10.Kadyrmetov A. M., Smolentsev E. V., Mal'tsev A. F., Sukhochev G. A. (2012) Modeling of Plasma Spraying Coating Process in the Mode of Plasma Arch Power Modulation Applied on Details of Transport Machines. Nauchnyi Zhurnal KubGAU = Scientific Journal of KubSAU [Kuban State Agrarian University], 84 (10), 1–10.Mostaghimi, J. Understanding Plasma Spray Coating: a Modeling Approach [Electronic Resource] / J. Mostaghimi // 18th International Symposium on Plasma Chemistry. Kyoto, Japan, August 26–31, 2007. Japan: Kyoto, 2007. Mode of Аccess: https://plas.ep2.rub.de/ispcdocs/ispc18/ispc18/content/slide00237.pdf. Date of Access: 06.09.2017.Mostaghimi J. (2007) Understanding Plasma Spray Coating: a Modeling Approach. 18th International Symposium on Plasma Chemistry. Kyoto, Japan, August 26–31, 2007. Available at: https://plas.ep2.rub.de/ispcdocs/ispc18/ispc18/content/slide00237.pdf. (Accessed 6 September 2017).Иванов, Е. М. Инженерный расчет теплофизических процессов при плазменном напылении / Е. М. Иванов. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1983. 138 с.Ivanov E. M. (1983) Engineering Calculation of ThermalPhysical Processes during Plasma Spraying. Saratov, Publishing House of Saratov University. 138 (in Russian).Бороненко, М. П. Модель движения и нагрева в плазменной струе / М. П. Бороненко, И. П. Гуляев, А. Е. Серегин // Вестник Югорского гос. ун-та. 2012. Т. 25, вып. 2. С. 7–15.Boronenko M. P., Gulyayev I. P., Seregin A. E. (2012) Model of Motion and Heating in Plasma Jet. Vestnik Yugorskogo Gosudarstvennogo Universiteta = Yugra State University Bulletin, 25 (2), 7–15 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.