Сверхзвуковое газопламенное напыление: Термическое напыление. Способы, оборудование для термического напыления

Термическое напыление. Способы, оборудование для термического напыления

Содержание страницы

Термин термическое напыление объединяет собой все способы, при которых покрытие на поверхности субстрата образуется из нагретых частиц, ударяющихся о него с большой скоростью. При этом три важнейших параметра: размер частиц, температура частиц и их скорость могут сильно различаться, в зависимости от способа напыления.

Рассмотрим основные способы термического напыления:

1. Газопламенное напыление проволокой
2. Газопламенное напыление порошком
3. Сверхзвуковое газопламенное напыление проволокой
4. Сверхзвуковое газопламенное напыление порошком
5. Холодное напыление порошком
6. Детонационное напыление порошком
7. Электродуговое напыление проволокой
8. Плазменное напыление порошком (атмосферное и вакуумное)

Газопламенное напыление проволокой и порошком, — самые старые способы термического напыления. Эти процессы, а также способ электродугового напыления (металлизации) проволокой был изобретен швейцарским инженером Максом Ульрихом Шоопом в начале двадцатого века: 1913 – газопламенное напыление проволокой, 1918 – электродуговое напыление проволокой, 1921 – газопламенное напыление порошком. Первые опытные установки детонационного напыления были созданы в 50-х годах. Метод атмосферного плазменного напыления был запатентован Гианини и Дукати в 1960 и Гаге в 1962. Вакуумное плазменное напыление изобретено Мюльбергером в 1973. Высокоскоростное (сверхзвуковое) напыление проволокой и порошком появилось в 80-х годах, а холодное напыление — в девяностых.

Газопламенное напыление проволокой (Flame Spray Wire)

При газопламенном напылении проволокой проволока медленно подаётся в центр ацетиленокислородного пламени и там оплавляется. С помощью распыляющего газа, как правило сжатого воздуха, расплавленные капли выдуваются из зоны плавления и ускоряются в направлении подготовленной детали. [В шнуровом методе напыления вместо проволоки используется пластиковая трубочка, заполненная порошком]. На рисунке 1 изображено принципиальное устройство пистолета для газопламенного напыления проволокой.

Рис. 1. Принцип газопламенного напыления проволокой.

(1) Ацетилен/Кислород (2) Проволока (3) Сопло (4) Ацетилен/кислородное пламя и напыляемый материал (5) Деталь

Из устройств газопламенного напыления проволокой наибольшее, на сегодняшний день, распространение в мире получили ручные пистолеты фирмы Sulzer Metco серии 16E (Wire Combustion Gun 16E / 16E-H / 16E-P / 16E-HT), изображенные на рисунке 2.

Рис. 2. Ручное устройство Wire Combustion Gun 16E.

Спецификация устройства приведена в таблице 1.

Таблица 1. Спецификация устройства Wire Combustion Gun 16E.

Толщина проволоки, мм	0,813 – 4,73 (стандарт: 3,2)
Масса, кг	2,5
Необходимые для процесса напыления газы:
1. горючий газ	Ацетилен (возможно также применение пропана, пропилена, природного газа и водорода)
2. Кислород
3. Сжатый воздух	0,85 м3/мин, минимум 4,5 атм.
Уровень шума, дБ	114 — 125

Как видно из таблицы, пистолеты для газопламенного напыления проволокой расходуют большое количество сжатого воздуха, и, именно поэтому обладают очень высокой шумностью. Для ручного устройства подобный уровень высокочастотного шума (пронизывающего свиста) является серьезной проблемой, ограничивающей его применение.

Существуют и другие, не описанные в спецификациях изготовителей, недостатки способа газопламенного напыления проволокой, которые, в конечном итоге, приводят к вытеснению этого способа другими, более прогрессивными способами термического напыления. Перечислим эти недостатки:

1. Широкий угол распыления: при распылении капелек с расплавляемого конца проволоки невозможно добиться узкого пучка частиц и однородной концентрации частиц в потоке, как в способах напыления, использующих порошки. Поэтому, несмотря на неплохое использование тепла пламени и довольно высокую производительность, коэффициент полезного действия по материалу весьма низкий. Вторым недостатком широкого угла распыления является большая разница в энергиях частиц по поперечному сечению конуса напыления: частицы на периферии конуса имеют гораздо меньшую энергию и создают так называемый overspray, то есть слабый, пористый слой с плохой связью с материалом основы. Частицы с высокой энергией из оси конуса напыления попадая на слой overspray уже не могут исправить ни качество слоя, ни его связности с субстратом. Побочная проблема широкого угла распыления заключается в попадании распыляемых частиц на поверхности напыляемой детали не предусмотренные для покрытия. Кроме того, сильно загрязняется оборудование и усложняется проблема вытяжной вентиляции рабочего места.

2. Неуправляемый размер напыляемых частиц: в процессе раздува расплавляемой проволоки образуются частицы с размером от 0,01 до 1000 мкм, а также истинные пары´ распыляемого материала, особенно если проволока содержит алюминий, цинк, олово, свинец, медь или никель (большинство проволок для газопламенного напыления содержат один или несколько из этих металлов). Такое широчайшее распределение размеров частиц вызывает целый ряд серьезных проблем:

• низкое качество покрытия, вызванное неравномерностью структуры и грубыми включениями особо крупных частиц
• высокое и неравномерное содержание оксидов в покрытии из-за окисления особо мелких частиц в пламени горелки
• плохое сцепление с основой, высокая пористость из-за overspray, вызываемым мелкими окисленными частицами
• особо мелкие частицы и пары´ распыляемых металлов очень канцерогенны и вызывают у работающих в цеху заболевания дыхательных органов и аллергию. Мероприятия по охране здоровья работающих посредством респираторов и дыхательных масок, как правило, недостаточно эффективны, тогда как надежная защита с использованием звукозащитных кабин в комбинации с вытяжными фильтровентиляционными установками и роботизированным ведением процесса, для ручных устройств газопламенного напыления проволокой используются крайне редко.

3. Узкий выбор напыляемых материалов: ограниченность технологии газопламенного напыления проволокой заключается не столько в том, что выбор коммерческих проволок для пистолетов невелик, столько в том, что выбор
материалов проволок лимитируется вышеназванными недостатками этого способа напыления. Газопламенное напыление проволокой все еще применяется для получения недорогих и низкокачественных (пористых) покрытий на сталь и чугун из нержавеющих сталей, алюминия, цинка, олова, свинца, баббитов, латуней и алюминиевых бронз с подслоем из никель—алюминия .

На некоторых предприятиях этот способ до сих пор остается самым массовым, и применяется, например, даже для создания пористых покрытий из дорогостоящего молибдена. На других производствах газопламенное напыление проволокой стало нерациональным и было вытеснено более современными технологиями напыления, изза низкого качества покрытий, неоправданно больших потерь дефицитных материалов и проблем с охраной труда.

К достоинствам способа газопламенного напыления проволокой можно отнести, пожалуй, только дешевизну и распространенность оборудования, приспособлений и запчастей, а также наличие квалифицированного персонала, имеющего опыт работы именно с этим оборудованием.

[Шнуровое напыление несколько расширяет возможности проволочных устройств по материалам, но не решает проблем с качеством напыления].

Газопламенное напыление порошком (Flame Spray Powder)

При газопламенном напылении порошком в струю ацетиленокислородного пламени вводится порошок напыляемого материала. На рисунке 3 представлена схема подобного устройства.

Рис. 3. Принцип газопламенного напыления порошком.

(1) Ацетилен/Кислород (2) Емкость с порошком (3) Горелка (4) Газ + Порошок (5) Ацетиленокислородное пламя и напыляемые частицы (6) Деталь

Существуют как ручные пистолеты с простейшей гравитационной подачей порошка из бачка (сыпучий порошок засасывается внутрь пламени по его оси за счет разряжения, возникающего при сгорании горючего газа), так и более современные промышленные устройства для роботизированного напыления. Такие устройства работают с подачей порошка из специальных питателей, подающих порошок внутрь, по оси пламени, под давлением. Подобные питатели значительно расширяют возможности способа газопламенного напыления порошком, о чем более подробно будет рассказано далее.

Из-за существенно более низкой цены ручные устройства газопламенного напыления без порошковых питателей по-прежнему используются на подавляющем большинстве предприятий, занимающихся термическим напылением. На рисунке 4 изображен, наиболее популярный в мире, ручной пистолет порошкового термического напыления марки 5P производства фирм Sulzer Metco или GTV. Также очень распространены, похожие по спецификациям, пистолеты CastoDyn DS 8000 фирмы Castolin.

Рис. 4. Пистолет 5P-II от Sulzer Metco.

Компания Sulzer Metco выпускает и более прогрессивные устройства серии 6P для газопламенного напыления с порошковым питателем (рисунок 5):

Рис. 5. Устройства серии 6P-II.

Рис. 6. Порошковый питатель 9MP.

Модели 6P-II, 6P-II-A и 6P-II-H отличаются способом ведения (ручным для 6P-II-H и механическим для двух остальных), а также способом зажигания и прерывания пламени (автоматизированным для 6P-II-A и ручным для двух остальных). Во всех трех моделях серии 6P-II включение, регулировка и прерывание подачи порошка осуществляется порошковым питателем, например Sulzer Metco 9MP (рисунок 6).

Пистолеты Sulzer Metco серий 5P и 6P могут оснащаться специальными удлинительными насадками для напыления внутренних поверхностей (рисунок 7).

Рис. 7. Удлинительная насадка.

Практически все современные пистолеты для газопламенного напыления порошком оснащаются насадками с дюзами для сжатого воздуха, которые служат для выдувания из пламени мелких фракций порошка и для удаления холодных частиц с периферии пламени. Таким способом удается, в некоторых случаях, бороться с одной из главных проблем газопламенного напыления — overspray.

Рассмотрим подробнее достоинства и недостатки технологии газопламенного напыления порошком в сравнении с другими методами термического напыления.

Достоинства способа:

1. Относительно низкая цена и широкая распространенность на рынке оборудования: большой выбор устройств, запчастей и различных приспособлений; наличие квалифицированного персонала, имеющего опыт работы с такими устройствами.
2. Простота и многогранность применения, как в ручном, так и в автоматизированном исполнении, мобильность (позволяет производить ремонтные работы даже внутри различных промышленных установок).
3. Возможность напыления внутренних поверхностей с диаметром менее 200 мм.
4. Широкий выбор коммерческих порошков, оптимизированных для газопламенного напыления.
5. Самый низкий, из всех способов термического напыления, уровень шума.
6. Относительно небольшая, по сравнению с другими методами напыления, эмиссия канцерогенных веществ (тонкой пыли и паров) в окружающую среду: возможна безопасная работа без специальной кабины, лишь с простой вытяжной вентиляцией.

Недостатки способа:

1. Низкая скорость напыляемых частиц (не более 50 м/сек) вызывает сразу несколько проблем:
   • Малая кинетическая энергия частиц позволяет получать более-менее плотные покрытия только из легкоплавких и легко деформируемых материалов, порошки с температурой плавления выше 1100-1200°C практически всегда дают пористые покрытия.
   • Из-за низкой скорости частиц получение узкого и концентрированного их потока возможно только с применением «раздувания» пламени сжатым воздухом. При этом на субстрат попадают только самые быстрые и горячие частицы из оси конуса напыления, а все остальные частицы с малой энергией, способные, в противном случае, образовывать overspray, просто выдуваются. Такой способ борьбы с overspray имеет и негативную сторону, — теряется часть напыляемого материала, а частицы, долетающие до субстрата, охлаждаются сжатым воздухом и не имеют достаточно энергии, необходимой для образования плотного покрытия.
   • Низкая скорость частиц делает практически невозможным эффективное напыление тонкозернистых порошков даже при использовании порошковых питателей.
2. Относительно малая энергия напыляемых частиц: в связи с необходимостью использования для газопламенного напыления грубозернистых (сыпучих и «хорошо летящих») порошков с размером зерна 50-150 мкм, во многих случаях возникает проблема с недостаточным нагревом частиц пламенем. Дело тут не в том, что ацетиленокислородное пламя «недостаточно горячее», а в том, что время нагрева крупных частиц до необходимой температуры часто превышает время пребывания этих частиц в пламени. Эта проблема значительно усугубляется малой кинетической энергией частиц: недостаток кинетической энергии приводит к тому, что только оплавленные частицы имеют шанс «прилипнуть» к субстрату, тогда как при высоких кинетических энергиях, даже нерасплавленные металлические частицы прекрасно «вбиваются» в напыляемую поверхность.
3. Окисление части порошка кислородом пламени: большинство порошков для термического напыления содержат металлы и чувствительны к окислению в пламени. При этом, чем больше поверхность металлических частиц (обратно пропорционально квадрату уменьшения размера зерна), тем больше оксидов образуется и переносится в образующееся покрытие. Таким образом, наличие кислорода в пламени создает проблему, особенно серьезную для тонкозернистых порошков. Для борьбы с окислением в устройствах газопламенного напыления, помимо использования грубозернистых порошков, помогает применение порошковых питателей с инертным несущим газом. Использование таких питателей с соответствующими пистолетами (например, серии 6P) позволяет расширить спектр порошков для напыления, — инертный несущий газ эффективно защищает от окисления порошки, сгорающие в простых устройствах газопламенного напыления.

Как видно из вышеизложенного, метод газопламенного напыления порошком имеет серьезные ограничения, связанные, в первую очередь, с пористостью получаемых покрытий. В отдельных, особых случаях, пористость не представляет проблемы и даже желательна, но для подавляющего большинства покрытий пористость вредна и вынуждает прибегать к другим технологиям напыления.

До настоящего времени, лишь в одном единственном случае удается, последующей термической обработкой, превратить низкокачественное пористое покрытие в высококачественное – газоплотное, с прекрасной связью с субстратом. Речь идет о покрытиях из так называемых самофлюсующихся сплавов на основе никеля с хромом или кобальта с хромом и с добавками бора и кремния. Более подробно об этих покрытиях будет рассказано в главе, посвященной материалам для термического напыления. Интересно, что большинство предприятий, внедривших способ газопламенного напыления порошком, применяют его практически исключительно для этой группы материалов.

Высокоскоростное газопламенное напыление HVOF (High-Velocity-Oxygen- Fuel) и HVAF (High-Velocity-Air-Fuel)

Методы высокоскоростного газопламенного напыления, как проволокой, так и порошком принципиально аналогичны соответствующим методам простого газопламенного напыления. Разница состоит в конструкциях устройств и в скоростях струи пламени, реализуемых этими конструкциями. Основная конструкционная особенность всех устройств сверхзвукового газопламенного напыления состоит в наличии реактивного сопла (сопла Лаваля), позволяющего разогнать пламя с частицами до сверхзвуковых скоростей. Так как низкая скорость частиц составляет основную проблему устройств простого газопламенного напыления, то значительное увеличение этой скорости устройствами высокоскоростного газопламенного напыления дает безусловное преимущество последним.

На рисунке 8 изображена принципиальная схема горелки высокоскоростного газопламенного напыления порошком.

Рис. 8. Принцип высокоскоростного газопламенного напыления.

В настоящее время установки высокоскоростного газопламенного напыления порошком вышли на первое место по популярности среди всех методов термического напыления. Высокоскоростное напыление проволокой распространено реже, так как не дает больших преимуществ по сравнению с обычным газопламенным напылением проволокой, имея все недостатки этого метода.

В связи с распространенностью и принципиальной важностью способа высокоскоростного напыления порошком обсудим его в деталях:

Устройства для высокоскоростного напыления порошком отличаются большим разнообразием конструкций и технических характеристик. Конструкция устройства, в свою очередь, оказывает большое влияние на качество получаемого покрытия. В связи с этим, некорректно говорить о процессе в целом, без рассмотрения особенностей отдельных устройств. Тем не менее, обсудим сначала основные отличительные особенности способа из соображений теории, и лишь затем перейдем к отдельным конструкциям.

Итак, упрощенно говоря, устройство для высокоскоростного газопламенного напыления представляет собой горелку для газопламенного напыления с «надетым» на нее соплом Лаваля. Из теории реактивных двигателей известно, что увеличение скорости пламени соплом происходит за счет снижения его давления и температуры, как изображено на рисунке 9 (М – число Маха):

Рис. 9. Схема действия сопла.

Что же приносит практическое применение сопла для устройств газопламенного напыления:

1. Увеличение скорости достигается за счет уменьшения температуры, поэтому температура частиц в устройствах высокоскоростного напыления будет ниже, чем в устройствах газопламенного напыления равной мощности. Для достижения аналогичной температуры частиц, устройства высокоскоростного напыления должны иметь существенно большую мощность, что и имеет место на практике.
2. Введение порошка по оси пламени «из бачка» под разряжением, как в обычных пистолетах газопламенного напыления, становится невозможным из-за повышенного давления газа на выходе перед сужением сопла. Необходимо вводить порошок под избыточным давлением несущего газа, с помощью питателя, чтобы преодолеть это повышенное давление газа пламени. Существуют также варианты введения порошка в зону разряжения за сужением сопла, через каналы в сопле, перпендикулярные к оси пламени. Такой ввод порошка неизбежен в случае применения сопел с высокой степенью сжатия (> 10 атм.). В этом случае порошок вовсе минует «горячую» часть пламени, будучи введенным сразу в его «холодную» часть. Соответственно, температура частиц при таком варианте введения порошка, будет еще существенно ниже. В любом случае, применение порошковых питателей для устройств высокоскоростного газопламенного напыления абсолютно необходимо.
3. Движение пламени в сопле вызывает его интенсивный нагрев, который необходимо снижать водяным охлаждением, причем, чем длиннее сопло, тем больше тепла необходимо отводить. Таким образом, для достижения сверхзвуковых скоростей необходимы более сложные конструкции с системой водяного охлаждения. Кроме того, охлаждаемое сопло вызывает значительное охлаждение пламени и напыляемых частиц, которое опять приходится компенсировать дополнительной мощностью пламени. Получается замкнутый круг: все более высокая мощность пламени требует все более интенсивного охлаждения, то есть, все больших потерь тепла, причем температура частиц с повышением мощности растет незначительно.
4. Ограничение пламени и потока частиц соплом дает таким устройствам важное преимущество: пучок частиц получается узким и концентрированным (кинжальным). Кроме того частицы в этом потоке имеют узкое распределение по энергиям, что практически устраняет проблему с overspray. Оборотной стороной контакта пламени и частиц с соплом является проблема с налипанием отдельных частиц на внутреннюю поверхность сопла (засорение сопла с последующим «плеванием» отскочившими кусками). Эта, специфическая проблема устройств высокоскоростного газопламенного напыления, приводит к ограничениям в выборе напыляемых порошков: частицы порошка не должны полностью расплавляться пламенем во избежание налипания на сопло, то есть, или быть достаточно крупными и/или достаточно тугоплавкими. Так как частицы не расплавляются полностью, то их прилипание к субстрату может происходить только за счет пластической деформации при ударе с большой скоростью, иначе говоря, за счет высокой кинетической энергии. Из этого, в свою очередь, следует вывод о том, что все, недеформируемые в твердом состоянии, материалы (практически все чисто-керамические порошки) непригодны для высокоскоростного газопламенного напыления. Пригодными являются только деформируемые, за счет металлической составляющей, порошки, с возможно более узким распределением частиц по размерам.
5. Идеальными для процесса высокоскоростного газопламенного напыления можно считать сферические частицы равного диаметра, состоящие из двух фаз: матрицы из относительно легкоплавкого металла и наполнителя из тугоплавкой керамики. Такие частицы, в потоке относительно холодного быстрого пламени, всегда будут плавиться лишь частично, не прилипая к соплу и, в то же время, за счет пластической деформации при ударе, будут хорошо прилипать к металлическому субстрату и друг к другу. На практике именно такие композитные порошки и позволили методу высокоскоростного газопламенного напыления быстро завоевать столь высокую популярность. Речь идет об агломерированных спеченных порошках Cr₃C₂-NiCr, WC-Co и других аналогичных металлокерамических порошках, из которых, методом высокоскоростного газопламенного напыления, изготавливаются высококачественные плотные, твердые и износостойкие покрытия (подробнее об особенностях напыления многофазных порошков и об образовании покрытий из них будет рассказано в следующих главах).
6. Влияние сопла на ускорение частиц порошка определяется не только увеличением скорости газа, но и в большей степени, тем фактом, что внутри всего сопла частицы разгоняются вместе с газом и лишь после выхода из него начинают замедляться сопротивлением воздуха. Поэтому, несмотря на то, что ускорение газа соплом не зависит напрямую от его длины, а определяется соотношением сечений, скорость частиц порошка тем выше, чем длиннее сопло. Варьируя длину сопла можно в значительной степени менять скорость и температуру частиц: длиннее сопло – частицы быстрее и холоднее, короче сопло – частицы медленнее и горячее. С точки зрения необходимых конструкций и мощностей влияние длины сопла выглядит так: длинное сопло – тяжелая конструкция большой мощности, короткое сопло – легкая конструкция малой мощности.

Как видно из вышеизложенного, «простое надевание» сопла Лаваля на устройство газопламенного напыления оказалось совсем непростым. Вместо легкого пистолета с

бачком для порошка, как на рисунке 4, получилось сложное, массивное устройство большой термической мощности, с порошковым питателем и системой водяного охлаждения, практически малопригодное (особенно при большой длине сопла) для ручного напыления, из-за «чудовищного» уровня шума, большого веса и сильной отдачи.

Перейдем теперь к конкретным устройствам.

Установки высокоскоростного газопламенного напыления HVOF с длинным соплом (более 100 мм)

Установки с длинным соплом являются наиболее мощными и дорогими, но и дают наивысшую скорость напыляемых частиц. Рассмотрим технические характеристики таких установок на примере, широко распространенного в Германии, устройства К2 фирмы GTV (рисунок 10).

Рис. 10. Устройство K2 от GTV.

На рисунке 11 устройство изображено в разобранном состоянии.

Рис. 11. Основные детали K2.

Особенности устройства:

• Ввод порошка через два инжектора в зону разряжения за сужением сопла, перпендикулярно к оси пламени.
• Использование керосина в качестве горючего с целью получения светящегося пламени (для лучшей передачи тепла от пламени к порошку).
• Автоматическая система зажигания горелки.
• Длина применяемых сопел 100, 150 и 200 мм с внутренними диаметрами от 10 до 12 мм.
• Максимальная термическая мощность кислородно-керосинового пламени более 250 кВт (теплосодержание топлива около 10 кВт-ч на 1 литр керосина).
• Возможность использования в качестве топлива также ацетилена, пропана, и этена.
• Расход кислорода более 1000 л/мин.
• Давление газа на входе в сопло до сужения более 10 атм.
• Скорость газа на выходе из сопла более 2000 м/сек
• Температура пламени на входе в сопло около 2800°C
• Скорость частиц порошка на выходе из сопла около 700 м/сек
• Максимальная производительность по порошку до 10 кг/ч

Как видно из характеристик, высокое давление на входе в сопло (более 10 атм.) привело к необходимости применения конструкционно сложного и термодинамически нерационального радиального ввода порошка в зону разряжения сопла. В результате общая мощность этого устройства с длинным соплом примерно в 10 раз превышает мощность аналогичных по производительности устройств газопламенного напыления порошком. С другой стороны, увеличение скорости частиц с 50 до 700 м/сек дает почти 200 кратное увеличение их кинетической энергии.

Установки высокоскоростного газопламенного напыления HVOF с коротким соплом (менее 100 мм)

Устройства с коротким соплом по характеристикам ближе к обычным устройствам газопламенного напыления порошком. Для примера рассмотрим популярные пистолеты Diamond Jet фирмы Sulzer Metco (рисунки 12 и 13). Интересно, что пистолет Air-Cooled Diamond Jet® Spray Guns с величиной разгона газа всего лишь до 1373 м/сек (сопло с малой степенью сжатия в 3,8 атм.) обходится даже без водяного охлаждения. Водоохлаждаемые Water-Cooled Diamond Jet® Spray Guns позволяют достичь скорости газа в 2140 м/сек при степени сжатия в 6,9 атм. Кроме того, сопло водоохлаждаемой модели на 50 мм длиннее и несколько больше в диаметре. Оба варианта реализуют эффективную осевую подачу порошка, с азотом в качестве несущего газа, имеют тепловую мощность в 113 кВт и работают на кислороде (307 л/мин), и горючих газах из списка: водород, метан, этилен, пропилен и пропан.

Рис. 12. Air-Cooled Diamond Jet® Spray Guns.

Рис. 13. Water-Cooled Diamond Jet® Spray Guns.

Скорости частиц порошка производителем не публикуются, но, по данным из разных источников можно сказать, что максимальная скорость частиц для Air-Cooled Diamond Jet® Spray Guns составляет около 450 м/сек, а для Water-Cooled Diamond Jet® Spray Guns, — около 650 м/сек.

Так же как и при простом газопламенном напылении, существуют конструкции высокоскоростных устройств с коротким соплом для напыления внутренних поверхностей. По причине геометрических ограничений, — это самые маломощные устройства среди установок HVOF.

В качестве примера рассмотрим устройство ID CoolFlow фирмы Thermico GmbH (рисунки 14-16):

Рис. 14. ID CoolFlow. Рис. 15. ID CoolFlow.

Рис. 16. Напыление внутренних поверхностей отверстий диаметром от 250 мм.

Устройство имеет максимальную термическую мощность в 35 кВт и сопло, длиной всего 30 — 40 мм. Для достижения частицами сверхзвуковой скорости с помощью такого короткого сопла, используется профиль с высокой степенью сжатия (давление в камере сгорания до 15 атм, скорость пламени на выходе из сопла более 2000 м/сек), а также применяются тонкозернистые порошки, частицы которых разгоняются и нагреваются гораздо быстрее, чем обычные, с размером частиц около 50 мкм. При использовании агломерированных спеченных порошков металл-карбид с размером частиц до 15 мкм, удается не только придать им скорость выше 500 м/сек, но и обеспечить необходимую температуру, и это несмотря на то, что ввод порошка производится в «холодную» зону пламени после сужения сопла. Важным, для напыления внутренних поверхностей, преимуществом устройства ID CoolFlow в комбинации с тонкозернистыми порошками, является очень короткий, по меркам HVOF, факел пламени. В результате всего вышеперечисленного, становится возможным напыление внутренних поверхностей отверстий с диаметром от 150 мм при расходе порошка до 60 г/мин.

Установки HVAF

Кроме устройств, работающих на кислороде, существуют также устройства, использующие воздух в качестве окислителя топлива (HVAF). Так как использование воздуха значительно снижает температуру пламени, то конструкции таких установок нацелены на придание частицам порошка высокой скорости при низкой температуре. Частицы порошка при этом не оплавляются, а просто нагреваются до температуры, достаточной для пластической деформации при соударении с субстратом. Разумеется, что использование недеформируемых (хрупких) материалов в этом процессе исключено.

По скоростям частиц и их температурам устройства HVAF находятся между устройствами HVOF и устройствами холодного напыления, о которых будет рассказано далее.

На рисунке 17 изображено устройство HVAF: M3™ Supersonic Spray Gun от фирмы UniqueCoat Technologies, LLC.

Рис. 17. Устройство M3™ Supersonic Spray Gun.

Устройство работает на пропане или пропилене, имеет сопло длиной около 300 мм и позволяет разогнать частицы порошка до скоростей 1000-1200 м/сек. Как следует из описания изготовителя, установка M3™ Supersonic Spray Gun позволяет получать плотные покрытия из спеченных агломерированных порошков металл-карбид с содержанием металла (Ni или Co) от 7%.

Достоинства и недостатки метода высокоскоростного газопламенного напыления

Достоинства:

1. Основное достоинство способа, без сомнения, состоит в высокой скорости напыляемых частиц. Благодаря высокой скорости, практически во всех случаях получаются покрытия с минимальной пористостью (< 2%).
2. Узкий, концентрированный пучок частиц полностью решает проблему overspray, характерную для устройств простого газопламенного напыления.
3. Относительно хорошая, по сравнению с обычным газопламенным напылением, связь с субстратом из-за расплющивания частиц на его поверхности (прочность связи 60-80 МПа против 20-40 МПа для покрытий, нанесенных газопламенным напылением). По этой же причине, метод позволяет напылять покрытия на поверхности с относительно малой шероховатостью (возможна предварительная пескоструйная обработка мелкозернистым корундом, которая, в отличие от обработки грубозернистым корундом или колотой металлической дробью, не вызывает опасных дефектов поверхности).
4. Поверхность образующегося покрытия имеет шероховатость < 10 мкм, что позволяет, в некоторых случаях, отказаться от механической обработки.
5. Устройства типа ID CoolFlow позволяют получать высококачественные, плотные покрытия даже на внутренних поверхностях.
6. В некоторых случаях возможно использование тонкозернистых порошков, дающих преимущества в равномерности структуры покрытий.

Недостатки:

1. Главный недостаток способа высокоскоростного напыления не бросается в глаза, мало кому известен и редко упоминается даже в специальной литературе. Недостаток этот понимается только в сравнении с технологиями плазменного напыления, о которых будет рассказано далее. Речь идет о том, что из-за кислородосодержащей атмосферы пламени, восстановление оксидов железа, никеля, кобальта, вольфрама и некоторых других, на частицах порошка затруднено, а на поверхности субстрата невозможно (происходит только частичное восстановление оксидов меди и молибдена в порошке, но не на субстрате). Наоборот, кислород пламени вызывает дополнительное окисление железа, хрома и алюминия, как в порошке, так и на поверхности субстрата. В результате, окисленная поверхность напыляемого изделия препятствует образованию металлургической связи между металлом основы и металлом порошка, — между ними всегда существует тонкая пленка оксида. Такие же пленки имеются и между расплющенными частицами, образующими покрытие, то есть, прочной металлургической связи нет и внутри покрытия (толщина пленки оксида может составлять всего несколько нанометров, но и этой, никак не регистрируемой, толщины достаточно для прерывания металлической связи). Негативные последствия такого строения, будут подробно обсуждаться в главе книги, посвященной образованию покрытий.
2. Вторым важным недостатком метода высокоскоростного газопламенного напыления является его узкая специализация: с безусловным успехом способ используется только для одного класса порошков, — агломерированных спеченных порошков металл-карбид, где металлом может быть сплав никеля или кобальта, а карбидом — карбиды хрома или вольфрама. Этот класс порошков, разработанный специально для установок высокоскоростного газопламенного напыления, позволяет напылять плотные износостойкие покрытия с твердостью 800-1400 HV, которые используются в технике в качестве альтернативы гальваническим хромовым покрытиям. Хотя формально метод рекомендован для напыления целого ряда чисто металлических порошков, таких хороших результатов, как для порошков металл-карбид, больше нигде добиться не удается. Почему это так, тоже будет рассмотрено в части книги, посвященной механизму образования покрытий.
3. Менее важные недостатки способа связаны с его сложностью и высокой ценой, энергоемкостью, малой пригодностью для ручного и мобильного применения и очень высоким уровнем высокочастотного шума. По всем этим параметрам сверхзвуковое газопламенное напыление уступает простому газопламенному напылению и примерно соответствует атмосферному плазменному напылению.

Холодное газодинамическое напыление (Cold Spray)

Процесс холодного газодинамического напыления был изобретен физиками А.П. Алхимовым, В.Ф. Косаревым и А.Н. Папыриным в середине 80-х годов в новосибирском институте теоретической и прикладной механики.

Технология холодного напыления основана на использовании кинетической энергии, выделяющейся при расширении сжатого, подогретого газа в сопле Лаваля, то есть сверхзвуковая скорость напыляемых частиц, величиной 300-1200 м/сек, достигается высоким давлением газа (сжатого воздуха, азота или гелия) на входе в сопло в комбинации с соответствующим профилем и длиной сопла.

В настоящее время различают два «подвида» холодного газодинамического напыления, защищеные соответствующими патентами:

1. Холодное газодинамическое напыление низкого давления (Low Pressure Cold Spray). В качестве рабочего газа используется сжатый воздух давлением 5-10 атм, расходом 0,5 м³/мин, и мощностью подогрева 3-5 кВт. Для напыления покрытий используются механические смеси металлических и керамических порошков, в основном, смеси алюминий-цинк-корунд и медь-корунд. Для чистых металлических порошков способ практически непригоден из-за недостака кинетической энергии (скорость частиц не выше 400 м/с).

Патенты на способ холодного напыления низкого давления и устройства серии ДИМЕТ принадлежат обнинскому центру порошкового напыления (ОЦПН).

К варианту холодного напыления низкого давления следует отнести и технологию американской фирмы Inovati. Благодаря использованию чистого гелия, в устройствах серии KM удается реализовать высокие скорости частиц алюминия при относительно низком давлении газа (3,5 атм) и малой тепловой мощности (2,5 кВт) [для разгона частиц в гелии требуется гораздо меньше энергии, чем в воздухе или азоте]. С другой стороны, расход гелия, равный 200 л/мин, ограничивает применение установок KM исключительно аэрокосмической областью, где они изредка используются для нанесения алюминиевых покрытий. Для «нормальных» применений технология Inovati слишком дорогая.

2. Холодное газодинамическое напыление высокого давления (High Pressure Cold Spray). В качестве рабочего газа используются азот или гелий при давлениях выше 15 атм, расходе более 2 м³/мин, и мощностью подогрева более 18 кВт. Для напыления используются чистые металлические порошки металлов размером 5- 50 мкм.

Основные патенты на этот «западный» вариант холодного газодинамического напыления были куплены в 2006 году немецкой фирмой Cold Gas Technology GmbH (CGT), изготавливающую устройства серии KINETIKS.

Устройства ДИМЕТ (DYMET) работают на сжатом воздухе от стандартного компрессора (6-8 атм) и потребляют всего 3,3 кВт электроэнергии от сети 220 В. Несмотря на отсутствие защитного газа и «слабые», по сравнению с мощными устройствами KINETIKS, параметрами газовой струи, на оборудовании ДИМЕТ получаются вполне неплохие покрытия с низкой пористостью и высокой прочностью сцепления с субстратом. Секрет заключается в использовании многокомпонентных порошков, состоящих из смеси частиц одного или нескольких мягких металлов (алюминия, цинка, меди, олова, свинца и никеля) и частиц корунда. Причины, по которым введение корунда в металлические порошки принципиально улучшает качество металлических покрытий будут обсуждаться в этой книге еще не раз, а пока просто запомним этот факт, очень важный не только с практической, но и с теоретической точки зрения.

Рис. 18. ДИМЕТ 421.

Благодаря простоте конструкции и относительно невысокой стоимости эксплуатации оборудования ДИМЕТ, вариант холодного газодинамического напыления низкого давления уже приобрел популярность в России (на Западе он по-прежнему почти не применяется). Основные области применения — ремонт алюминиевых радиаторов, алюминиевых и чугунных головок блоков цилиндров, других автомобильных деталей, а также локальная защита от коррозии сварных соединений. Покрытия алюминий-цинккорунд, хотя и не являются абсолютно плотными (пористость > 1%), все-же обеспечивают, в толстых слоях, герметизацию субстрата при достаточно высокой прочности сцепления с ним (до 100 МПа).

Рис. 19. Устройство KM-PSC от Inovati.

Рис. 20. KINETIKS® 8000 HP Gun от CGT.

Устройства KINETIKS, разрабатываемые по варианту холодного газодинамического напыления высокого давления, используют нагрев газа до температур: 400-950°C, что вплотную приближает их к устройствам HVAF. Так, например, KINETIKS® 8000 HP Gun работает на азоте с давлением 40 атм нагретым до 950°C при расходе 160 м³/час (нагреватель 57 кВт).

В связи с узко ограниченной областью применения, высокой ценой и необходимости в использовании больших количеств азота или даже гелия, мощные автоматизированные устройства холодного напыления высокого давления пока не получили широкого распространения. Важную роль в их слабом успехе играет тот факт, что покрытия из мягких металлов высокого качества могут быть нанесены и другими, более экономичными, способами.

Несмотря на заявления производителя о возможности напыления практически любых металлов, на практике устройства холодного газодинамического напыления высокого давления применяются только для мягких металлов и сплавов. Для одного из этих материалов, — меди, использование устройств холодного напыления, работающих на горячем азоте, дает действительно очень хорошие результаты. Напыление меди таким способом даже получило уже некоторое распространение в электротехнике.

Почему же при напылении меди получается покрытие с более высоким качеством, чем медное HVAF-покрытие? Здесь действуют два фактора:

1. В потоке азота с температурой 600-800°C пленки оксида на частичках меди полностью восстанавливаются и, поэтому, в покрытии возникают настоящие металлические связи (высокое парциальное давление кислорода в пламени HVAF препятствует полному восстановлению оксидов меди). Для других мягких металлов с более высоким сродством к кислороду, таких как цинк, олово или алюминий этот механизм не действует.
2. Благодаря низкой температуре частиц в процессе образования покрытия, в нем возникают только относительно низкие, некритичные растягивающие напряжения, тогда как с ростом температуры частиц и, особенно, в случае их кристаллизации из расплава, напряжения растяжения в покрытии могут достичь его предела прочности. В этом смысле способ холодного газодинамическое напыления имеет преимущество перед HVOF и HVAF для напыления чисто металлических покрытий из любых легкоплавких металлов.

Детонационное напыление

Детонационное напыление, — это процесс, при котором порошок ускоряется и нагревается энергией взрыва газовоздушной или газокислородной смеси. В качестве горючего могут использоваться ацетилен, метан или пропан-бутан. По параметрам скорости частиц и их температуре детонационное напыление несколько превосходит метод HVOF, отличаясь от него, в первую очередь, дискретной подачей порошка. В зависимости от конструкции установки частота циклов может достигать 8-10 Гц, но в большинстве случаев она равна 3-4 Гц.

Схема детонационного напыления (рисунок 21):

Рис. 21. Принцип детонационного напыления.

(1) Ацетилен (2) Кислород (3) Азот (4) Напыляемый порошок (5) Устройство воспламенения (6) Выходная труба с водяным охлаждением (7) Деталь

Первая работоспособная детонационная установка была разработана фирмой Union Carbide (UC), США в 50-х годах. Скорость истечения газов на срезе ствола длиной 1,4 м составляла 1300 м/сек.

Из-за дискретности нанесения порошка, сложности и ненадежности конструкции, способ так и не получил сколько-нибудь широкого распространения. До сих пор существуют только лабораторные и полупромышленные устройства, коммерческих установок на Западе было создано очень мало. Так, например, в Германии только два устройства детонационного напыления собственной разработки (D-Gun^TM и Super-DGun^TM) использует фирма Praxair Surface Technologies.

Несколько обобщая и упрощая ситуацию, можно сказать, что детонационное напыление уже полностью вытеснено, изобретенным позже, процессом сверхзвукового газопламенного напыления, имеющего перед детонационным напылением практически одни лишь преимущества.

Электродуговое напыление проволокой

Электродуговое напыление проволокой [по-русски также электродуговая металлизация или, сокращенно, — ЭДМ], — один из первых методов напыления, изобретенный Шоопом в 1918 году. Наряду с газопламенным напылением проволокой, этот способ до сих пор широко применяется рядом предприятий «с устойчивыми традициями». На рисунке 22 изображена схема электродугового напыления.

Рис. 22. Принцип электродугового напыления.

По всем важным параметрам напыления и образования покрытий, способы электродугового и газопламенного напыления проволокой практически идентичны. Разумеется, электродуговое плавление дает более высокую, чем ацетиленокислородное пламя, температуру, но какой из ходовых проволочных материалов требует более 3000°C? Даже молибденовую проволоку распыляют в ацетиленокислородной горелке, а более 99% всех распыляемых проволок составляют проволоки из легкоплавких цинка и алюминия, применяемые для защиты больших металлоконструкций от коррозии.

Единственным потенциальным преимуществом электродугового распыления проволоки перед газопламенным является возможность вести процесс напыления полностью без кислорода. Теоретически возможно использовать азот для раздувания капель, уменьшая тем самым их окисление. Однако, из-за большого расхода газа на раздувание, на практике все равно почти всегда применяется сжатый воздух. В остальном оба «проволочных» процесса имеют одинаковые недостатки, уже описанные выше.

По конструкции устройства электродугового напыления сложнее устройств газопламенного напыления проволокой, так как требуется две проволоки между которыми горит дуга, кроме того, пистолеты газопламенного напыления компактней и легче, но менее производительны. Кстати, именно рекордная производительность устройств электродугового напыления (до 100 кг/час) привлекает к ним внимание потребителей. Ни одна другая технология термического напыления не позволяет напылять столько материала в единицу времени.

Из современных коммерческих устройств электродугового напыления, выпускаемых на Западе, можно отметить установки фирмы Sulzer Metco различной мощности и назначения:

Рис. 23. FLEXI ARC^TM 200 (300). Рис. 24. SmartArc^TM.

Рис. 25. VISU ARC^TM 350.

Рис. 26. ECO ARC^TM 250 (350, 600).

В России некоторое распространение получил способ активированной дуговой металлизации, разработанный в уральском институте сварки под руководством профессора Коробова Ю.С. (установки АДМ). Отличием способа активированной дуговой металлизации от обычной электродуговой металлизации является использование продуктов сгорания пропана вместо сжатого воздуха. Таким образом, устройство активированной дуговой металлизации является комбинацией устройства дугового напыления с газовой горелкой. Подобная комбинация позволяет несколько улучшить качество напыляемых покрытий при сохранении низкой себестоимости процесса. Улучшение качества происходит потому, что металлические частицы (капельки расплава) окисляются в продуктах сгорания существенно меньше, чем в чистом воздухе. В тоже время горение пропана придает потоку газа высокую скорость без необходимости в использовании мощных компрессоров высокого давления, то есть делает процесс технологичнее.

В ЗАО НПП «Машпром» было разработано два типа устройств АДМ: с обычной и со сверхзвуковой пропано-воздушной горелкой (сопло Лаваля). Покрытия, полученные на обычном устройстве АДМ не отличаются от покрытий традиционной электродуговой металлизации. Высокоскоростное устройство АДМ (рисунок 27) отличается относительно узким конусом напыления и позволяет получать покрытия с повышенной плотностью при удвоенной эффективности использования материала. Высокая плотность энергии в высокоскоростном устройстве АДМ имеет и свою оборотную сторону: ресурс этого устройства меньше, чем у обычных устройств электродугового напыления.

Рис. 27. Установка АДМ с соплом.

Просмотров: 2 161

Газопламенное напыление — АО Плакарт

Газопламенное напыление — экономичный и простой метод газотермического напыления.

Газопламенное напыление представляет собой нагрев, плавление, диспергирование расплава и перенос расплавленных частиц ацетилено-кислотного пламени материала на металлическую поверхность детали, где формирует стабильное непрерывное покрытие.

В пламя горелки на основе ацетилен-кислорода или пропан-кислорода подается из питателя металлический/полимерный порошковый (установка FP), или же проволока (установка FS15), плавится и затем переносится сжатым воздухом на напыляемую поверхность, образуя прочное покрытие. Технология газопламенного напыления проста в работе, может применяться как в ручном, так и в автоматизированном режиме.

Основные применения покрытий, наносимых газопламенным напылением:

• Восстановление геометрии поверхности шеек валов.
• Ремонт баббитового слоя подшипников.
• Антикоррозионные покрытия.
• Износостойкие покрытия из железных, никелевых, медных, алюминиевых, цинковых сплавов.
• Электропроводные и электроизоляционные покрытия (рилсан).
• Декоративные покрытия (памятники, фонтаны и т.д.).
• Газопламенное напыление применяется для восстановления геометрии рабочих поверхностей высоконагруженных деталей насосно-компрессорного оборудования, крышек и валов электродвигателей, нестандартного оборудования.

АО «Плакарт» производит две установки газопламенного напыления:

• FS-15 — установка проволочного газопламенного напыления. Использование любого металла поставляемого в проволочной форме: алюминий, цинк, сталь, никелевые сплавы, монель, алюник, инконель, молибден.
• FP — установка порошкового газопламенного напыления. Напыление покрытий из металлов, полимеров.

В качестве расходных материалов используются кислород и горючий газ (ацетилен, пропан).

Более подробную информацию по газопламенному напылению можно узнать на сайте www.metalspray.ru

Высокоскоростное газотермическое напыление HVOF

Высокоскоростное газотермическое напыление – один из методов газопламенного нанесения защитного покрытия. В основе технологии лежит способ напыления порошкового материала наВысокоскоростное газотермическое напыление высокой (сверхзвуковой) скорости.

Основным отличием данного метода является то, что все рабочие процессы осуществляются в специальной сверхзвуковой горелке. Данная процедура полностью аналогична той, что происходит в ракетном двигателе. При таком методе газопламенного напыления топливо сжигается в горелке при воздействии высокого давления. В традиционном газотермическом напылении процесс сжигания происходит при атмосферном давлении в открытом факеле.

В рамках высокоскоростного напыления происходит сжигание смеси топлива (горючий газ) и воздуха, находящегося под давлением. Одновременно с этим процессом происходит распыление порошка. Получаемая посредством горения струя разгоняет частицы до скорости 900 метров в секунду. Это не дает порошку расплавится.

Выделяют следующие виды систем, которые отличаются типом используемого оборудования:

• HVOF – Высокая скорость-Кислород-Топливо;
• HVAF – Высокая скорость-Воздух-Топливо.

Высокоскоростное газотермическое напыление позволяет получить малопористые повторяемые покрытия, что обеспечивает высокую адгезию. Данный метод широко применяется для замены таких технологий, как:

• гальваническое хромирование;
• химическое никелирование;
• детонационное напыление;
• вакуумное нанесение;
• ионно-плазменное напыление;
• азотация;
• цементация.

Технология высокоскоростного газотермического напыления предоставляет возможность наносить различные твердосплавные покрытия, которые по своим эксплуатационным характеристикам и свойствам полностью превосходят методы гальванического хромирования и химического никелирования. При всем этом они полностью экологически безопасны для окружающей среды и менее канцерогенны.

Плотность покрытий, полученных с помощью высокоскоростного метода газотермического напыления, достигает 99% плотности материала. При этом уровень остаточных напряжений достаточно низкий. Все это предоставляет возможность нанести слой покрытия большей толщины с более высокими эксплуатационными характеристиками, в отличие от альтернативных методов напыления.

Для получения качественного покрытия с помощью высокоскоростного напыления не требуется плавление составляющих частиц. Это дает возможность создавать уникальные сплавы, например, металлокерамические.

Порошковое напыление позволяет получить долговечное (увеличение срока службы в несколько раз) и качественное покрытие, которое не восприимчиво к таким явлением, как:

• коррозия;
• воздействие низких и высоких температур;
• истирание;
• механическое воздействие.

В последние годы наибольшей популярностью пользуются твердосплавные покрытия из карбидов хрома и вольфрама, нанесенные посредством высокоскоростного напыления и обладающими следующими параметрами:

• уровень твердости – 70 HRC и более;
• адгезия – от 80 Мпа;
• толщина получаемого покрытия – до 1000 мкм.

Экономические затраты на поверхности, полученные с помощью высокоскоростного газотермического напыления, существенно ниже аналогичных методов. Данную технологию относят к ресурсосберегающим. Она позволяет:

• продлить эксплуатационный срок оборудования;
• восстановить изношенные агрегаты и узлы;

• сэкономить на использовании менее дорогостоящих материалах и оборудовании;
• производить продукты с высокими эксплуатационными характеристиками.

Мир современных материалов — Сверхзвуковое напыление

Использование сверхзвуковых струй при газотермическом напылении является одним из главных направлений современного развития этой технологии. В основе метода лежит нагрев порошковых частиц с одновременным ускорением их при нанесении до сверхзвуковых скоростей. Частицы порошка посредством газовой струи переносятся на деталь, при ударе о подложку их высокая кинетическая энергия превращается в тепловую. Повышение скорости и кинетической энергии частиц напыляемого материала позволяет, с одной стороны, улучшить условия формирования покрытий, а с другой — ограничить вредное воздействие окружающей среды и снизить интенсивность процессов термического разложения материалов. В качестве напыляемых материалов используются различные металлические и металлокерамические порошки.

В мировой практике сверхзвуковое плазменное напыление реализуют с помощью установок «Plazjet-ll-200». В качестве рабочего газа используют азот или смесь азота с водородом и аргоном. При мощности установки 200 кВт температура струи достигает 6600 °С, скорость частиц в 6-8 раз выше, чем при обычном напылении. Расход порошка составляет до 12 кг/ч оксида алюминия и 40 кг/ч карбида вольфрама.

Специалистами Института электросварки им. Е. О. Патона и Института газа разработаны технология и оборудование для сверхзвукового напыления с использованием плазмы продуктов сгорания углеводородных газов с воздухом. Плазмотрон генерирует слаборасширенную струю плазмы продуктов сгорания со степенью недорасширения 1,1-3,0 м и скоростью истечения до 3000 м/с. Измерения показали, что скорость частиц на дистанции напыления 250-300 мм в случае использования порошка WC-12 Со составила 480 м/с. оксида алюминия —
420 м/с, оксида хрома — 430 м/с, железоникелевого сплава — 500 м/с.

Существует возможность регулировать температуру в пределах 3500-6500 К, что позволяет эффективно напылять как легкоплавкие материалы (алюминий и его сплавы), так и тугоплавкие (например, диоксид циркония). Пористость покрытия на оптимальных режимах составляет 0,5-3,0%, а прочность сцепления — 60-120 МПа. Производительность напыления оксида алюминия достигает 20 кг/ч, а вольфрам-кобальтовых твердых сплавов — 40 кг/ч.

При сверхзвуковом плазменном напылении добавление метана или пропан-бутана к воздуху делает высокотемпературный участок плазменной струи, в котором происходит нагрев и ускорение частиц порошка, более протяженным, а профиль температур и скоростей более заполненным. Скорость частиц порошка Al₂0₃ размером 80 мкм при сверхзвуковом газовоздушном напылении на дистанции 250 и 300 мм составляет 330-500 м/с. При этом гарантированный срок службы анода равен 40-50 ч. Ресурс работы катода с гафниевой вставкой составляет 6-10 ч, с циркониевой — 4-6 ч.

В случае сверхзвукового воздушногазового плазменного напыления аморфизирующегося сплава Fe-Mo-Cr-Ni-Bблагодаря высокой кинетической энергии частиц происходит их интенсивное расплющивание, что обеспечивает плотный контакт с основой. Это приводит к повышенной степени аморфизации напыленного материала.

При сверхзвуковом плазменном напылении покрытия из различных порошковых материалов характеризуются низкой пористостью (0-3%), высокой прочностью сцепления с основой (до 150 МПа) и повышенной микротвердостью.

В настоящее время сверхзвуковое плазменное напыление находит все более широкое применение.

Литература:

Лащенко Г.И. Плазменное упрочнение и напыление. – К.: «Екотехнологiя», 2003 – 64 с.

Вас также может заинтересовать:

Мир современных материалов — Холодное газодинамическое напыление

 Метод холодного газодинамического напыления металла (англ. – cold spray, cold gas dynamic spraying) состоит в том, что твердые частицы металла, температура которых значительно меньше их температуры плавления,  разгоняются до сверхзвуковой скорости и закрепляются на поверхности при соударении с нею.

 Сущность метода холодного газодинамического напыления металла включает в себя формирование в сопле сверхзвукового газового потока, подачу в этот поток порошкового материала с размерами частиц 0,01-50 мкм, его сверхзвуковое ускорение в сопле и направление частиц порошка на поверхность изделия. Ускорение частиц возможно в среде холодных или подогретых  газов, таких как: воздух, гелий, азот. Значения температуры существенно ниже температуры плавления материала порошка (0,4-0,7Тпл). Технология холодного газодинамического напыления позволяет наносить металлические покрытия не только на металлы, но и на стекло, керамику, камень, бетон. Покрытия, нанесенные этим методом, механически прочны и имеют высокую адгезию к подложке.

 Явление формирования покрытий методом холодного газодинамического напыления впервые было обнаружено в  Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН)  в начале 80-х годов прошлого века. Они показали, что для формирования покрытия необязательно, чтобы частицы находились в расплавленном или предрасплавленном состоянии, а покрытия можно получать из частиц с температурой значительно ниже их температуры плавления, в отличие от традиционных методов напыления.

 Рис. 1. Микрофотографии покрытий [1].

 Основные экспериментальные факты:

 1.      Наиболее важным параметром при холодном напылении является скорость частиц, именно от ее величины зависят адгезия, пористость, микротвердость покрытий и др. Для всех частиц с диаметром d£50 мкм существует «пороговая» величина скорости взаимодействия их с подложкой (500-600 м/с). Если скорость ниже этого значения, то наблюдается процесс эрозии. При скорости выше «пороговой» процесс эрозии переходит в напыление.

 2.      Существует критическая величина расхода частиц, при котором напыление не происходит независимо от времени воздействия потока.

 3.      При расходе частиц выше критической величины частицы прочно сцепляются с поверхностью изделия и между собой, образуя в напыленном слое плотную упаковку. Из рис. 2, а видно, что внешняя часть покрытия представляет собой совокупность деформированных частиц напыляемого материала с характерным размером d=20-40 мкм и следами (кратерами) от ударов бомбардирующих частиц. Поперечный разрез (шлиф) покрытия (рис. 2, б) показывает, что оно отличается малой пористостью и хорошей однородностью по всей толшине слоя. Наличие шероховатой границы между напыленным слоем и поверхностью тела, которая предварительно обрабатывалась по 10 классу чистоты, свидетельствует о том, что перед образованием напыления также имеет место пластическая деформация и эрозия поверхности тела.

 Рис. 2. Микрофотографии внешнего слоя (х150) и поперечного шлифа покрытия из частиц алюминия (электронный микроскоп, х300) [1].

 4.      Только малая доля частиц, разгоняемая сверхзвуковым потоком, в итоге напыляется на изделие, основная же доля отражается и уносится потоком газа. Масса напыленных частиц увеличивается с ростом расхода порошкового материала.

 5.      При формировании покрытия нагрев поверхности изделия незначителен. Разница температур для поверхности только обтекаемой потоком газа и при напылении покрытия составляет »45 градусов.

 Существует 2 разновидности холодного газодинамического напыления: высокого и низкого давления. Сравнение типичных параметров оборудования для напыления по этим двум способам представлено в табл. 1. В общем, качество покрытий нанесенным методом высокого давления выше и требования к определенному размеру частиц порошка ниже. Главное достоинство метода низкого давления в более низкой стоимости оборудования и его меньших габаритах.

  Таблица 1. Сравнение режимов холодного газодинамического напыления высокого (ХГНВД) и низкого давления (ХГННД).

На рис. 3 представлена принципиальная схема напыления покрытий холодным методом высокого давления. Газ под высоким давлением нагревается и смешивается с порошком, затем газопорошковая смесь поступает в сопло, где она ускоряется до сверхзвуковой скорости и направляется на подложку, формируя покрытие.

 Рис. 3. Принципиальная схема холодного газодинамического напыления высокого давления.

 Основное отличие сверхзвукового сопла для этих технологий заключается в том, что при напылении с низким давлением порошок поступает перпендикулярно газовому потоку прямо в сопле, а при технологии высокого давления в сопло поступает газопорошковая смесь (рис. 4, 5). Также отличием является то, что подогрев газа при высоком давлении осуществляется перед сверхзвуковым соплом, а при низком давлении непосредственно в нем.

 Рис. 4. Конструкция сопла для холодного газодинамического напыления высокого давления [2].

 Рис. 5. Конструкция сопла для холодного газодинамического напыления низкого давления.

 При методе холодного напыления низкого давления обычно напыляют различные металлические порошки вместе с добавкой керамических частиц (Al₂O₃, SiC). Считается, что эти добавки активируют поверхность подложки, улучшая адгезию, и благодаря им прочищается сопло.

 Холодный метод нанесения покрытий, в основном, применяют для восстановления различных металлических деталей в случае трещин, сколов, истирания. Также у них высокий потенциал в качестве антикоррозионных, теплопроводных покрытий. Предложено использовать такие покрытия в качестве защитных для контактных поверхностей кабельных наконечников [1]. В [3] приведены экспериментальные результаты испытаний разнообразных покрытий поверхностей сильноточных контактов, нанесенных холодным газодинамическим напылением низкого давления. Все варианты не прошли испытания, кроме специально разработанного композиционного покрытия (см. новость «Защитное композиционное покрытие для электрических контактов»
Source: http://worldofmaterials.ru/358-zashchitnoe-kompozitsionnoe-pokrytie-dlya-elektricheskikh-kontaktov»).

 Литература:

 1.Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Фомин В.М. Холодное газодинамическое напыление. Теория и практика. – М.: Физматлит, 2010 — 536 с.

 2. http://www.cmit.asiro.au/innovation/2003-08/cold_spray.cfm

 3. Koktsinskaya E.M., Roshal A.G. et al. Aging Tests of the High Current Aluminum–Copper Contact Connections in the ITER DC Busbar System/ IEEE Transactions on Plasma Science. – 2014. -Volume:42 ,  Issue: 3, p. 443-448.

Вас также может заинтересовать:

Установка высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF) Termika 3

Высокоскоростное (сверхзвуковое) газопламенное напыление (HVOF) является сравнительно недавним дополнением к семейству процессов газотермического напыления. Так как процесс использует сверхзвуковую струю, ставящую его отдельно от традиционного газопламенного напыления, скорость воздействия частиц на подложку значительно выше, что приводит к лучшим характеристикам покрытия. Плотность покрытия достигает 99,5%. Прочность сцепления 70-120 МПа. Скорость истечения струи 1500-2000м/сек, скорость напыляемых частиц 380-660м/сек. Максимальная температура струи 2850С.

Метод отличается от газопламенного напыления наличием расширяющейся струи на выходе из горелки. В качестве горючего газа используется пропан, пропилен, МАПП (метилацетилен аленовый). В качестве транспортирующего газа используется осушенный сжатый воздух. Охлаждение горелки производится сжатым воздухом, что позволяет использовать наше оборудование при проведении полевых работ. Наиболее эффективно использование метода HVOF при нанесении покрытий из карбидов вольфрама (WC-Co) и карбидов хрома (CrC-NiCr), для замены гальванических покрытий из твердого хрома.

HVOF Termika-3

Комплекс предназначен для нанесения металлических и керамических порошкообразных покрытий методом сверxзвукового газопламенного напыления.

Благодаря возможности получения повторяемых, малопористых покрытий с высокой адгезией, сверхзвуковая установка напыления широко используется для решения задач оптимизации производства, замены гальванического хромирования, никелирования, детонационного, вакуумного и ионно-плазменного напыления.

Наша установка HVOF Termika-3 может быть использована как на крупных предприятиях,так и на небольших заводах , ремонтных мастерских и в фермерских хозяйствах. Чемодан содержит все что вам нужно, за исключением газов и порошков

Выход на рабочий режим реализуется поворотом одной ручки. Запуск Termika-3 с момента открытия чемодана занимает до 15 min.

Сверхзвуковая система распыления пламенем Экспортер с завода в Китае

Внедрение системы распыления пламени (или СИСТЕМЫ HVOF)
Процесс термического распыления HVOF (высокоскоростное кислородное топливо) в основном такой же, как и процесс распыления порошкового горючего (LVOF), за исключением что этот процесс был разработан для получения чрезвычайно высокой скорости распыления. Существует ряд пистолетов HVOF, которые используют разные методы для достижения высокой скорости распыления. Один из методов — это, по сути, камера сгорания HVOF с водяным охлаждением под высоким давлением и длинное сопло.Топливо (керосин, ацетилен, пропилен и водород) и кислород подаются в камеру, при сгорании образуется горячее пламя высокого давления, которое направляется вниз через сопло, увеличивая его скорость. Порошок можно подавать аксиально в камеру сгорания HVOF под высоким давлением или подавать через ту сторону сопла типа Лаваля, где давление ниже. Другой метод использует более простую систему сопла сгорания высокого давления и воздушной головки. Топливный газ (пропан, пропилен или водород) и кислород подаются под высоким давлением, сгорание происходит вне сопла, но внутри воздушной крышки, снабжаемой сжатым воздухом.Сжатый воздух сжимает и ускоряет пламя и действует как охлаждающая жидкость для пистолета HVOF. Порошок подается под высоким давлением в осевом направлении из центра сопла.

SX-5000 Система HVOF
Наша система HVOF SX-5000 состоит из шкафа управления, устройства подачи порошка, системы охлаждения, распылителя и системы трубопроводов. Это компактное оборудование, отличающееся простотой эксплуатации, стабильной производительностью, низким расходом топлива и высококачественным покрытием.

A: Шкаф управления SX-5000
Шкаф управления SX-5000 при проектировании эквивалентен усовершенствованной зарубежной системе управления.Он прост в эксплуатации, с функцией автоматизации работы во время процесса распыления. Вы можете контролировать систему и управлять пистолетом-распылителем в реальном времени, а также немедленно реагировать на неисправность системы.

B: SX-5000 Подающая машина
Подача порошка Машина предназначена для сохранения распыляемых порошков и отправки их в краскораспылитель согласно технологическим требованиям.Он использует азот в качестве подаваемого газа, а порошок распыляется в порошок. Затем измельченный порошок и газообразный азот вместе отправляются в пистолет-распылитель из порошковой трубки. Вы можете использовать потенциометр на панели шкафа управления, чтобы регулировать скорость подачи порошка.

Параметр машины подачи порошка SX-5000

C: Система охлаждения SX-5000

Параметр системы охлаждения SX-5000

D: Пистолет-распылитель SX-5000
Пистолет-распылитель может управляться вручную или устанавливаться вручную.Он использует кислород и пропан в качестве рабочего газа, а распыляемые частицы могут достигать скорости ≥450 м / с. Может стабильно работать долгое время.

Параметр пистолета-распылителя SX-5000

Применение сверхзвукового пламенного напыления для покрытий гильз цилиндров нового поколения

[1]
Барбезат Г., Келлер С. и Вуэст Г.: Процесс внутреннего плазменного напыления отверстий цилиндров в автомобильной промышленности, Труды 15-й Международной конференции по термическому напылению, Ницца (1998).

DOI: 10.4271 / 970016

[2]
Бобзин К., Ernst F., Zwick J., Schlaefer T., Cook D., Nassenstein K., Schwenk A., Schreiber F., Wenz T., Flores G. и Hahn M. Нанесение нанокомпозита на отверстия в блоках двигателя из легких металлов Материал с использованием дуги с плазменным переносом проволоки, Journal of Thermal Spray Technology (2008).

DOI: 10.1007 / s11666-008-9188-y

[3]
Бухманн М., Gadow R., Killinger A. и López D. Verfahren und Vorrichtung zur Innenbeschichtung von Hohlräumen durch thermisches Spritzen, Патент Германии: DE 102 30 847 (2002).

[4]
Киллинджер А., Кун М. и Гадоу Р. Распыление суспензий в пламени с высокой скоростью (HVSFS), новый подход к распылению наночастиц с гиперзвуковой скоростью, Surface & Coatings Technology (2006).

DOI: 10.1016 / j.surfcoat.2006.04.034

[5]
Флорес Г., Hoffmeister H. -W. и Schnell C. (2007) Vorbehandlung und Honen thermischer Spritzschichten, Jahrbuch Schleifen, Honen, Läppen und Polieren.

[6]
Лопес Д.(2008) Übeschallflammspritzen (HVOF) von Metallurgischen und Cermetischen Schichten für Zylinderlaufflächen, Ph.D. дипломная работа, Shaker Verlag.

[7]
Гадоу Р., Киллинджер А. и Раух Дж. (2008) Новые результаты в области высокоскоростного напыления суспензии в пламени (HVSFS), технологии поверхностей и покрытий.

DOI: 10.1016 / j.surfcoat.2008.04.005

Сверхзвуковой спрей дает новый наноматериал для гибкой носимой электроники — ScienceDaily

Новая ультратонкая пленка, которая одновременно прозрачна и обладает высокой проводимостью для электрического тока, была произведена дешевым и простым методом, разработанным международной группой исследователей наноматериалов из Университет Иллинойса в Чикаго и Корейский университет.

Пленка также может сгибаться и растягиваться, что дает возможность ее применения в сворачиваемых сенсорных дисплеях, носимой электронике, гибких солнечных элементах и ​​электронной оболочке. Результаты представлены в документе Advanced Functional Materials .

Новая пленка сделана из сплавленных серебряных нанопроволок и производится путем распыления частиц нанопроволоки через крошечное сопло со сверхзвуковой скоростью. В результате получается пленка с почти такой же электропроводностью, как у серебряной пластины, и прозрачностью стекла, — говорит старший автор Александр Ярин, заслуженный профессор машиностроения UIC.

«Серебряная нанопроволока — это частица, но очень длинная и тонкая», — сказал Ярин. Нанопроволоки имеют длину около 20 микрон, так что четыре проложенные встык охватывают ширину человеческого волоса. Но их диаметр в тысячу раз меньше — и значительно меньше длины волны видимого света, что сводит к минимуму рассеяние света.

Исследователи подвесили частицы нанопроволоки в воде и запустили их по воздуху через сопло де Лаваля, которое имеет ту же геометрию, что и реактивный двигатель, но имеет всего несколько миллиметров в диаметре.

«Жидкость нужно распылить, чтобы она испарялась в полете», — сказал Ярин. Когда нанопроволоки ударяются о поверхность, к которой они применяются, со сверхзвуковой скоростью, они сливаются вместе, поскольку их кинетическая энергия преобразуется в тепло.

«Идеальная скорость — 400 метров в секунду», — сказал Ярин. «Если энергия слишком высока, скажем, 600 метров в секунду, она перерезает провода. Если слишком низкая, например, 200 метров в секунду, тепла недостаточно для плавления проводов».

Исследователи применили нанопроволоки к гибким пластиковым пленкам и трехмерным объектам.«Форма поверхности не имеет значения, — сказал Ярин.

Прозрачную гибкую пленку можно многократно сгибать и растягивать до семи раз по сравнению с ее первоначальной длиной, — сказал Сэм Юн, автор исследования и профессор машиностроения в Корейском университете.

Ранее в этом году Ярин и Юн и их коллеги создали прозрачную проводящую пленку путем гальванического покрытия мата из запутанного нановолокна медью. По словам Юна, по сравнению с этой пленкой самосплавная пленка из серебряных нанопроволок обеспечивает лучшую масштабируемость и производительность.

«Это должно быть проще и дешевле в изготовлении, поскольку это одностадийный процесс по сравнению с двухэтапным», — сказал Ярин. «Вы можете делать это непрерывно с рулона на рулон на производственной линии».

История Источник:

Материалы предоставлены Иллинойсским университетом в Чикаго . Оригинал написан Биллом Бертоном. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Распыление пламенем — Технология обработки поверхностей

• Китайский (упрощенный)
• Турецкий
• шведский
• Польский
• голландский
• итальянский
• французский
• финский
• испанский
• Английский
• Немецкий
• датский
• Чешский

• Язык
  • Китайский (упрощенный)
  • Турецкий
  • шведский
  • Польский
  • голландский
  • итальянский
  • французский
  • финский
  • испанский
  • Английский
  • Немецкий
  • датский
  • Чешский
• Поиск

Поиск

Технический глоссарий | Контакты | Локации

Меню
≡
╳

• английский

  • 简体 中文

  • Чески

  • Данск

  • Nederlands

  • Суоми

  • Français

  • Deutsch

  • Italiano

  • Polski

  • Español

  • Свенска

  • Türkçe

• Дом

• Карьера

  • Возможности

  • Возможности (Северная Америка)

• Сервисы

  • Термическая обработка

    • Цементационная закалка с последующей операцией закалки

      • Атмосферное науглероживание

      • Науглероживание под низким давлением (LPC)

      • Boriding

      • Карбонитрирование

    • Цементационная закалка без последующей операции закалки

      • Corr-I-Dur®

      • Плазменное азотирование / ионное азотирование

      • Нитроцементация

      • Газовое азотирование

      • Ферритное нитроцементация

      • Азотирование в псевдоожиженном слое / соляная ванна / нитроцементация

    • Закалка и отпуск

      • Нейтральное отверждение

      • Закалка Ausbay

      • Аустемперирование

      • Темперирование / закалка

      • Закалка пресса

      • Индукционная закалка

      • Двойное отверждение

      • Темперирование

    • Решение и возраст

      • Решение и возраст: алюминиевые сплавы

      • Решение и возраст: никелевые сплавы

      • Осадочное упрочнение: нержавеющие стали

    • Специальные процессы из нержавеющей стали (S ³ P)

    • Отжиг / нормализация

      • Отжиг

      • Перекристаллизация

      • Нормализация

      • Докритический отжиг / межкритический отжиг

      • Мягкий отжиг

    • Ионная имплантация

    • Снятие стресса

  • Соединение металлов

    • Печь / вакуумная пайка

    • Индукционная пайка

    • Электронно-лучевая сварка

    • Диффузионное соединение HIP

    • Водородная пайка

  • Поверхностная техника

    • Плазменный спрей

    • Покрытие для высокоскоростного кислородного топлива (HVOF)

    • Распыление при горении

    • Парофазный алюминид (VPA)

    • K-Tech

    • Жидкие покрытия

    • Анодирование

    • Электродуговая проволока

    • Керамические покрытия

    • Распыление пламенем

  • Горячее изостатическое прессование

    • Технологии Powdermet®

      • Powdermet® hybrid * с 3D-печатью

      • 3D-печать Powdermet®

      • Powdermet® — форма, близкая к конечной (NNS)

      • Powdermet® Селективная форма сетки поверхности (SSNS)

    • Услуги изостатического прессования

      • Уплотнение отливки

      • Облицовка HIP

      • HIP пайка

      • Простая форма

    • Услуги по поддержке HIP

      • Моделирование и анализ

      • Лабораторные услуги для HIP

• Рынки

  • Автомобильная промышленность

    • Автомобиль / Легкий грузовик

    • Тяжелые грузовики

    • Мотоциклы

    • Автоспорт

  • Аэрокосмическая промышленность и оборона

    • Коммерческий самолет

    • Военный истребитель

    • Вертолет

    • Оружейная палата и боеприпасы

    • Космос

  • Энергия

    • Стационарные турбины

    • Ядерная

    • Нефти и газа

    • Возобновляемые источники энергии

  • Общепромышленный

    • Инструменты

    • Сельское и лесное хозяйство

    • Строительство и гражданское строительство

    • Добыча

    • Железнодорожный и морской

    • Потребительские товары

    • Электроника и телекоммуникации

    • Медицина, здоровье и окружающая среда

    • Еда и напитки

    • Химическая промышленность и бумага

    • Машиностроение

• Новости и СМИ

  • пресс-релизы

  • Загрузки

  • Мультимедийные ресурсы

    • Изображений

  • Контакт для СМИ

  • Больше новостей

  • История металлургии

• Корпоративная ответственность

  • Наш подход

  • Окружающая среда

  • Наша политика

  • Безопасность

  • Общество

  • Рабочее место

  • Гендерный разрыв в оплате труда

• Инвесторам

  • Наши ценности

  • Наша стратегия

  • Наша производительность

  • Наш бизнес

    • Основные факты

    • Что мы делаем

Flame Spray Inc, процесс термического напыления, аппликации и покрытия

Frontiers | Понимание и интерпретация лазерной диагностики в пламени: обзор экспериментальных методов измерения

1.Введение

Лазерная диагностика — это признанный краеугольный камень экспериментальных исследований горения. Лазерная диагностика облегчает измерение температуры, скорости и различных химических веществ в пламени. Точные экспериментальные измерения являются уникальным источником бесценных реальных данных, которые помогают глубже понять процессы горения. Лазерные измерения могут предоставить данные, охватывающие широкий диапазон длин и временных масштабов пламени. Кроме того, эксперименты являются важным инструментом для дальнейшего развития вычислительного моделирования, как путем предоставления данных для проверки, так и определения реалистичных граничных условий для численных исследований.

Диагностика на основе лазера позволяет проводить измерения пламени без необходимости использования интрузивных пробоотборных зондов или термопар, которые нарушают поле потока пламени и могут иметь дополнительные каталитические эффекты (Eckbreth, 1996). Физические зонды не только могут влиять на пламя, которое они измеряют, они имеют ограниченное пространственное и временное разрешение, что ограничивает их эффективность в условиях турбулентного пламени. Однако лазеры могут обеспечить практически мгновенные измерения при пространственном разрешении, близком к порядку величины колмогоровского масштаба.

Пламя в горячих и разбавленных параллельных потоках аналогично практическим реализациям выпуска топлива в предварительно нагретую среду и среду с пониженным содержанием кислорода, например, в топках с рециркуляцией выхлопных газов (EGR) (Dally et al., 2004), современных дизельных двигателях (Yao et al. ., 2009), а также последовательные или межтурбинные горелки (ITB) для газовых турбин (Sturgess et al., 2005; Döbbeling et al., 2007; Perpignan et al., 2018). Фундаментальные исследования этого пламени не только обеспечили существенное понимание процессов самовоспламенения, но и были использованы для создания обширных наборов данных в упрощенных конфигурациях для проверки моделей взаимодействия турбулентности и химии для численного моделирования систем сгорания.Фундаментальные исследования ламинарного и турбулентного струйного пламени, выходящего в высокотемпературную среду с низким содержанием кислорода, были предприняты в струях в горелках с горячим параллельным потоком (JHC) (Dally et al., 2002; Medwell et al., 2007, 2008; Oldenhof et al., 2010, 2011; Oldenhof et al., 2012; Medwell, Dally, 2012a; Sepman et al., 2013; Ye et al., 2016, 2017, 2018; Evans et al., 2017b, 2019a, b; Kruse et al. , 2019), горелки с горячим поперечным потоком (Sidey and Mastorakos, 2017), горелки с поврежденным параллельным потоком (VCB) (Cabra et al., 2002, 2005; Gordon et al., 2008, 2009; Macfarlane et al., 2018, 2019; Ramachandran et al., 2019) и струйные горелки с частичным предварительным смешиванием (PPJB) (Dunn et al., 2007a; Dunn et al., 2009), а также распылительное пламя в горелках с горячим потоком (Correia Rodrigues et al., 2015a, b ; Wang et al., 2019b). В каждом случае свежее топливо выливается из струи в поток горячего газа, генерируемого обедненным пламенем предварительно перемешанной смеси, что дает ≲15% O ₂ (по объему). Остальные потоки окислителя обычно состоят из H ₂ O, CO ₂ , N ₂ и второстепенных частиц.Поскольку каждая из этих горелок имеет общую конфигурацию струйных и кольцевых сопутствующих горелок, все они будут называться здесь горелками JHC для простоты чтения. Исследования, проведенные в горелках JHC, были сосредоточены на процессах воспламенения в горячих и разбавленных средах, в частности, на понимании высокотемпературного самовоспламенения (Mastorakos, 2009) и процессов воспламенения в режиме горения с умеренным или интенсивным разбавлением кислородом (MILD) (Cavaliere and de Joannon, 2004 г.). Сжигание в мягком режиме характеризуется однородным распределением температуры, низкими пиковыми температурами и температурными колебаниями, а также снижает образование сажи и NO _x .Кроме того, фундаментальные исследования режима горения MILD в горелках JHC часто показывают порядок единицы Damköhler с уменьшенными химическими временными шкалами, приближающимися к временным шкалам турбулентной струи. Эти характеристики низкого повышения температуры и, как следствие, низких концентраций радикальных частиц, приводят к требованию высокочувствительных измерений температуры и компонентов при изучении горения слабых веществ. К счастью, пламя, часто не содержащее сажи, позволяет проводить различные лазерные диагностики.

Экспериментальные исследования диффузионного пламени в горячих и испорченных условиях, подобных тем, которые встречаются при горении в условиях слабого горения, выявили существование точек перехода от «слабого к сильному» (Medwell et al., 2008; Медуэлл и Далли, 2012а; Evans et al., 2015a, 2019c). Это происходит, когда слабо реагирующая присоединенная диффузия претерпевает быстрое увеличение температуры и толщины реакционной зоны (Medwell et al., 2008; Medwell and Dally, 2012a). Эти переходные точки, которые будут подробно рассмотрены в разделе 7, имеют решающее значение для стабилизации и структуры пламени, исходящего в горячую и испорченную среду, и способность предсказать это явление имеет важное значение для практических, новых реализаций сгорания с низким уровнем выбросов и аналогичного низкого давления. -выбросы технологии сжигания.Такое улучшенное понимание этих переходов — и структуры пламени вверх по потоку, ведущего к их образованию — может быть достигнуто с помощью целевых исследований лазерной диагностики и впоследствии подтвержденного дополнительного численного моделирования. Высокоточные данные, которые может предоставить лазерная диагностика, позволяют детально изучить реактивные структуры в широком диапазоне пространственных и временных масштабов в различных оптически доступных горелках и реакторах JHC (Plessing et al., 1998; Cabra et al., 2002, 2005; Далли и др., 2002; Медвелл и др., 2007, 2008; Гордон и др., 2008, 2009; Oldenhof et al., 2010, 2011; Oldenhof et al., 2012; Медуэлл и Далли, 2012а; Сепман и др., 2013; Соррентино и др., 2015, 2016; Ye et al., 2016, 2017, 2018; Evans et al., 2017b, 2019a, b; Сидей и Масторакос, 2017; Macfarlane et al., 2018, 2019; Kruse et al., 2019; Рамачандран и др., 2019). Лазерная диагностика предоставляет средства для исследования мелких и распределенных зон реакции в макроскопически почти гомогенных условиях горения MILD.Такие исследования не только улучшают понимание поведения этих режимов, но и предоставляют справочные примеры и мотивацию для дополнительных численных исследований (Ihme and See, 2011; de Joannon et al., 2012; Ihme et al., 2012; Minamoto and Swaminathan, 2014; Minamoto et al., 2014; Sabia et al., 2015; Sidey and Mastorakos, 2015; Medwell et al., 2016; Evans et al., 2017a, b, 2019c; Sorrentino et al., 2017; Doan and Swaminathan , 2019; Wang et al., 2019a), которые в противном случае могли бы выполняться изолированно или в целевых условиях с ограниченной практической применимостью или данными для проверки модели.

В этой статье представлен обзор лазерной диагностики, применимой к исследованиям пламени в канонических горелках — особенно с акцентом на конфигурацию JHC — для читателей, плохо знакомых с этой областью или за ее пределами. Несмотря на то, что особое внимание уделяется горелкам JHC, методы и обсуждения также имеют отношение к простому струйному, отвесному, вихревому и стратифицированному пламени. В документе сначала будет представлена ​​краткая справочная информация о лазерных экспериментах, прежде чем обсуждаться проблемы количественной оценки данных в лазерной диагностике.После предоставления необходимой исходной информации в документе обсуждаются методы, используемые для измерения скорости, вида и температуры пламени, стабилизированного в горелках JHC, технические проблемы, которые они представляют, и результаты этих исследований. Наконец, будет обсуждаться будущая диагностика, необходимая для лучшего понимания пламени в горелках JHC.

2. Принципы лазерной диагностики

2.1. Принципы взаимодействия света и материи

Свет может взаимодействовать с материей по-разному.Свет может рассеиваться от атомов, молекул и частиц предсказуемым образом или — в квантовом масштабе — фотон может быть поглощен, а новый фотон испущен. Эти новые фотоны могут иметь ту же энергию, что и исходные (и, следовательно, иметь ту же длину волны), могут иметь меньше энергии или, в некоторых случаях, больше энергии. Обнаружение этих излучаемых фотонов дает измеримый «сигнал». Общее количество этих зарегистрированных фотонов и их энергии соответствуют интенсивности сигнала и его спектральному отклику соответственно.Связь между энергией фотона ( E ) и его длиной волны (λ) или частотой ( f ) определяется уравнением (1), где h — постоянная Планка, а c — скорость света:

E = h · cλ = h · f (1)

Уравнение (1) подчеркивает, что фотоны с более короткими длинами волн обладают большей энергией, чем фотоны с более длинными волнами, то есть ультрафиолетовые (УФ) фотоны имеют больше энергии, чем фотоны видимого диапазона. Точно так же энергия фотонов уменьшается от ультрафиолетового до синего, от зеленого до красного, до инфракрасного света.Соответствующие длины волн УФ-излучения для диагностики горения лежат между ~ 190 и 400 нм, а видимый свет считается от 400 до 700 нм.

Рассеяние света на диэлектрической частице (с эффективным диаметром d _p ) зависит от длины волны падающего света. Крупные частицы (например, капли или твердые частицы) рассеивают свет в соответствии со сложной теорией Ми (Eckbreth, 1996). Рассеяние Ми — это решение уравнений Максвелла в дальней зоне в сферических координатах, при котором свет исходит от поверхности частицы размером d _p .Это приводит к зависящему от направления рассеянию, описываемому бесконечной серией полиномов Лежандра. Рассеяние Ми обычно на несколько порядков больше, чем связанное с ним явление рэлеевского рассеяния, и является основным принципом для таких методов, как измеритель скорости изображения частиц. Из-за такой несопоставимой интенсивности чрезмерное рассеяние Ми может также препятствовать другим измерениям рассеяния с более низкими уровнями сигнала, например рассеянию Рэлея.

Маленькие поляризуемые частицы (например,(например, атомы или молекулы) могут рассеивать свет согласно рэлеевскому рассеянию. Это следует приближению первого порядка для частиц, намного меньших, чем длина волны падающего света. Рассеяние в любом заданном направлении масштабируется как dp6 · λ-4 и является функцией эффективного показателя преломления частицы. На молекулярном уровне рэлеевское рассеяние происходит, когда молекула поглощает фотон, увеличивая его внутреннюю энергию, а затем излучает фотон с той же длиной волны. Это показано с помощью упрощенной трехуровневой энергетической диаграммы на рисунке 1, где «0» — «основное состояние».Та же упрощенная модель возбуждения может быть применена и к отдельным атомам. Степень рэлеевского рассеяния из-за отдельных молекулярных частиц может быть определена количественно и охарактеризована его сечением Рэлея (σ). Значения σ приведены для обычных газов в различных источниках (Namer and Schefer, 1985; Eckbreth, 1996; Masri et al., 1996; Kohse-Höinghaus and Jeffries, 2002; Sutton and Driscoll, 2004). Интенсивность рассеянного света от неподвижной молекулы зависит от направления по сравнению с падающим светом.После калибровки и оценки состава газа это может обеспечить локальное количество молекул в единице объема (числовая плотность, n ) и, следовательно, локальная температура на основе закона идеального газа. В нереагирующих потоках результаты этого метода могут иметь точность в пределах 1% (Arndt et al., 2019).

Рисунок 1 . Трехуровневая модель уровней возбуждения, показывающая процессы Рэлея (слева), и Рамана (Стокса, центр и антистоксов, справа ).Обратите внимание, что самые высокие уровни энергии в этих моделях не обязательно должны соответствовать стабильным колебательным состояниям атомов или молекул.

Спонтанное комбинационное рассеяние света является нелинейным аналогом рэлеевского рассеяния, но дает сигналы примерно на три порядка слабее. В то время как рэлеевское рассеяние излучает только на падающей длине волны, комбинационное рассеяние от атома или молекулы в их основном состоянии излучает фотон с более низкой энергией, что соответствует релаксации к возбужденному энергетическому состоянию (см. Рисунок 1).Этот испускаемый фотон имеет большую длину волны, и этот процесс называется стоксовым рамановским рассеянием. Снова обращаясь к рисунку 1, противоположность этого процесса — когда излучается фотон с более высокой энергией — называется антистоксовым комбинационным рассеянием. Это требует, чтобы атомы или молекулы уже находились в возбужденном состоянии. Хотя это происходит в пламени, только небольшая часть молекул возбуждается при температурах пламени, что приводит к значительно более слабым сигналам, чем стоксова комбинация. Оптическая накачка перед антистоксовым комбинационным рассеянием возбуждает большую часть атомов или молекул, чем от одной только тепловой энергии, и формирует концептуальную основу таких методов, как термография когерентного антистоксова комбинационного рассеяния (КАРС) (см. Раздел 6).Рамановское, рэлеевское и Ми-рассеяние — все фактически мгновенные процессы, и измерительные сигналы зависят от энергии импульса, а не от его длительности, хотя это может влиять на фоновый сигнал от вторичного рассеяния или оптического пробоя (образование плазмы) (Eckbreth, 1996; Kojima and Нгуен, 2002). Это более распространено при более высоких давлениях, когда плотность численности видов выше (Eckbreth, 1996; Jiang et al., 2017).

Уровни энергии атомов / молекул, исследуемых в оптической диагностике, могут быть «виртуальными» (как в случае рэлеевского и рамановского рассеяния) или допустимыми уровнями энергии (также называемыми «резонансными», как в случае методов флуоресценции).Уровни энергии атома и молекулы концептуально схожи, причем уровни энергии атома соответствуют квазистабильным электронным орбитальным оболочкам, а последние являются допустимыми состояниями для комбинаций молекулярных вращений и колебаний. Молекулярные уровни соответствуют допустимым энергиям вращения молекул вокруг каждой из осей и колебательным энергиям внутримолекулярных связей. Состояния молекулярного возбуждения часто тесно сгруппированы, причем дискретные энергии являются функцией как вращательного, так и колебательного состояния.Исследование этих состояний путем возбуждения молекул до заданного уровня энергии приводит к испусканию фотона с меньшей энергией и большей длиной волны, когда молекула каскадно переходит в свои основные состояния. Этот процесс известен как лазерно-индуцированная флуоресценция (LIF) и является одним из наиболее широко используемых подходов для обнаружения определенных видов в пламени (см. Раздел 4). Подобный процесс возбуждения атомов, хотя и из основного, и из термически возбужденного состояний (аналог стоксова и антистоксова комбинационного рассеяния света), представляет собой двухлинейную атомную флуоресценцию (TLAF), которую можно использовать для термографии (см. Раздел 6).

2.2. Лазерная операция

Лазеры излучают «когерентный» свет с центром на данной длине волны (~ 180–10 000 нм) с точностью ± 0,1 нм, а часто и намного меньше. Это распределение по длине волны описывается как «ширина линии» лазера. Фотоны, испускаемые лазерами, генерируются атомами или молекулами в «активной среде», возбуждаемой посредством «оптической накачки». Фотоны с высокой энергией поглощаются, а фотоны с более низкой энергией (с большей длиной волны) излучаются, когда атом или молекула возвращается в свое основное состояние.Выходная длина волны лазера является впоследствии свойством усиливающей среды и, кроме того, свойствами оптических компонентов, используемых в конструкции лазера.

Лазеры, используемые для диагностики пламени, стабилизированного в горелках JHC, часто представляют собой твердотельные лазеры с ламповой накачкой или высокоэнергетические лазеры на красителях. Лазеры для диагностики часто являются «импульсными», так что энергия лазера доставляется в виде коротких (10 нс) импульсов высокой энергии (или «выстрелов») с частотой повторения от 10 Гц до 10 кГц.Эти короткие периоды освещения позволяют изображению эффективно «замораживать поток» и фиксировать изображение в один очень конкретный момент времени. Аналогичным образом, несколько методов лазерной диагностики, применяемые «одновременно», часто используют импульсные лазеры, разделенные интервалом ~ 100 нс, что намного медленнее, чем временные шкалы потока или химии.

Многие диагностические методы требуют света определенной уникальной длины волны, необходимого для возбуждения энергетических переходов в интересующих атомах и молекулах. Эти методы требуют использования лазеров, которые можно настраивать на заранее выбранные определенные длины волн.Лазеры на красителях используются для обеспечения настраиваемого источника высокоэнергетических лазерных импульсов от глубокого УФ до среднего ИК диапазона (от ~ 190 нм до ~ 4,5 мкм, соответственно). В лазерах на красителях используются особые красители для флуоресценции на желаемой длине волны при накачке светом с более короткой длиной волны. Сами красители часто представляют собой твердые органические вещества, растворенные в растворителях, таких как этанол, для использования. Отдельные красители имеют разный эффективный срок службы, и, как правило, красители, накачиваемые УФ-лазерами, должны заменяться значительно чаще, чем красители, накачиваемые видимыми длинами волн.Не все длины волн могут быть эффективно получены путем прямой накачки красителя, и в этих случаях используются процессы нелинейного удвоения частоты или двухсмешивания волн. Например, первый часто используется для генерации длин волн около 283 нм для OH-LIF (обсуждается в разделах 2.4 и 4), последний используется для генерации лазера 410 нм для индиевого TLAF (раздел 6), и оба используются последовательно. для генерации луча 226 нм для исследований NO-LIF.

Важным фактором, помимо длины волны лазера и энергии импульса, является профиль интенсивности, излучаемой лазером.Эти профили могут быть аппроксимированы гауссовыми, треугольными или «цилиндрическими» (Gordon et al., 2008; Dunn and Masri, 2010), но часто они значительно сложнее из-за несовершенства зеркал и оптики, формирующей лист, и варьируются между отдельными лазерными импульсами (например, от выстрела к выстрелу). Вариации профиля луча также могут быть вызваны вариациями показателя преломления, присущими пламени, которые приводят к преломлению луча, называемому «направлением луча» (Kruse et al., 2018). Таким образом, профили пучка также могут быть измерены для каждого отдельного выстрела.Это может быть выполнено с использованием специальной камеры для профилирования луча, визуализации флуоресценции или рассеяния от кюветы или стеклянного листа, или с помощью эталонной горелки либо в плоскости, либо с использованием части листа падающего света.

2.3. Сбор и обработка данных

Из-за относительно низкого уровня сигнала, часто только в течение очень коротких периодов времени, научные камеры, используемые для диагностики горения, часто представляют собой усиленные камеры CCD (ICCD), хотя усиленные научные камеры CMOS (sCMOS) становятся все более распространенными по мере развития этой технологии.Для простоты будут упоминаться только камеры CCD, хотя принцип действия такой же. Оптические усилители работают, фокусируя фотоны на светочувствительном фотокатоде (например, через объектив камеры), который, в свою очередь, высвобождает электроны. Фотокатодные материалы обладают определенной чувствительностью к разным длинам волн света и поэтому должны быть надлежащим образом выбраны как часть экспериментального плана. Микроканальная пластина (MCP) за фотокатодом действует как усилитель при приложении напряжения, ускоряя электроны на люминофорном экране.Люминофорный экран либо отображается на ПЗС-матрице, либо соединяется с волоконной оптикой. Современные системы формирования изображений CCD и sCMOS имеют разрешение в несколько мегапикселей и битовую глубину от 12 до 16, что означает, что каждый пиксель может возвращать значение от 0 до 2 ¹² (4096) до 2 ¹⁶ (65 536).

Сборки камер

Scientific часто охлаждаются методом Пельтье для уменьшения теплового шума усилителя и детектора. Охлаждение часто требуется, поскольку тепловые взаимодействия приводят к ненулевым показаниям базовой линии, называемым «темновой заряд».Это, наряду с единообразием системы обнаружения (ПЗС, усилителя и оптики для визуализации), должно быть исправлено, особенно при количественных измерениях. Усиленные научные камеры также подвержены шуму, который можно количественно оценить с помощью отношения сигнал / шум (SNR) для конкретного эксперимента или набора данных. Сигнал может быть эффективно увеличен за счет использования биннинга на кристалле, где квадратное количество пикселей (обычно четыре) действует как «суперпиксель» за счет разрешения в плоскости. Это разрешение в плоскости часто меньше толщины светового листа, которая обычно составляет ~ 0.1–0,2 мм (Gordon et al., 2008; Medwell et al., 2008; Kaiser, Frank, 2011; Ye et al., 2016) и ограничивает фактическое разрешение системы визуализации. Сглаживание — это средство улучшения отношения сигнал / шум в необработанных данных перед постобработкой. Сглаживание обычно может применяться как квадратные медианные или гауссовские фильтры, однако «сглаживание по контуру», анизотропный медианный фильтр, который получает размеры фильтра из эталонного изображения, показал значительный успех в улучшении отношения сигнал / шум в десять раз (Starner et al. al., 1995).

Измерения, выполненные с использованием импульсных лазеров, предоставляют мгновенные данные, которые могут быть проанализированы изолированно для изучения переходных процессов, таких как зажигание или нестабильность, или как часть множества повторяющихся измерений. Очень важно обеспечить использование достаточного количества измерений при вычислении среднего и среднеквадратичного отклонения от среднего (часто называемого просто RMS) для обеспечения сходимости. В ламинарном или статистически-стационарном турбулентном пламени это число не зависит от скорости измерения (например,g., в Гц) при условии, что измерения не зависят от отдельных переходных процессов. Например, диагностика с высокой частотой повторения (~ кГц) может потребовать большего количества измерений для получения средних данных, потому что такие процессы, как формирование и эволюция ядра зажигания, могут быть зафиксированы в нескольких измерениях и не будут независимыми друг от друга. Несмотря на это, фактическое время, необходимое для записи достаточного количества независимых точек данных для статистической конвергенции, все же вероятно будет быстрее на 1 кГц, чем на 10 Гц.

Количественно сходимость средних данных может быть оценена с использованием стандартной ошибки среднего. Важно подчеркнуть, что эта неопределенность отличается от RMS данных. Стандартная ошибка среднего фиксирует статистическую неопределенность средних данных и оценивается как стандартное отклонение измеренных данных, деленное на квадратный корень из числа независимых выборок. Эта метрика обеспечивает диапазон, в котором должны находиться средние данные, и диапазон неопределенности для сравнения с исследованиями моделирования.Поскольку стандартная ошибка среднего уменьшается с увеличением размера выборки, эту статистическую неопределенность можно легко уменьшить до нескольких процентов от измеренного среднего значения, используя несколько сотен измерений.

Для схождения RMS-данных требуется больше независимых изображений, чем средних данных. Эти среднеквадратичные данные представляют собой физические вариации измерений, а не статистическую неопределенность средних данных. Следовательно, RMS представляет собой статистическую вариацию из-за таких факторов, как турбулентность, и может в дальнейшем использоваться для подтверждения выбора вероятностных распределений в численных моделях.

2.4. Количественная лазерная диагностика

Лазерная диагностика может предоставить экспериментальные одноточечные (0-D), линейные (1-D) и изображения (2-D) данные, полученные в результате взаимодействия когерентного света и составляющих пламени. Лазерный свет может взаимодействовать с отдельными атомами, молекулами, твердыми частицами или каплями жидкости, и полученный сигнал может предоставить качественные или количественные данные. Методы лазерной диагностики могут быть качественными, количественными с использованием основных и измеряемых физических свойств или полуколичественными — для получения абсолютных значений требуется упрощенное моделирование.Каждая из этих широких категорий требует разной сложности и дает разные уровни диагностической информации. Однако важно, чтобы они были четко различимы, чтобы не запутать читателей экспериментальных исследований.

Качественные экспериментальные измерения — это простейший вид методов лазерной диагностики. Такие измерения, как качественный LIF или комбинационное рассеяние, часто используются для определения присутствия в пламени определенных химических веществ, таких как радикалы OH, CH или NO (Arndt et al., 2013; Foo et al., 2017; Macfarlane et al., 2017; Сидей и Масторакос, 2017; Evans et al., 2019d), разновидности полициклических ароматических углеводородов (PAH) (Bartos et al., 2017; Sirignano et al., 2017; Makwana et al., 2018; Wang et al., 2018), N ₂ или топливные газы (Starner et al., 1995; Jiang et al., 2017). Сигналы, излучаемые процессами LIF и комбинационного рассеяния, зависят от энергии падающих лазерных импульсов, длин волн лазера, соответствующих длин волн обнаружения и доли захваченного света.Следовательно, интенсивность обнаруженного сигнала не может быть напрямую интерпретирована как оценки абсолютных значений. Это может быть связано с неизвестными профилями падающего луча или отсутствием данных калибровки или эталонных изображений. Даже с учетом поправок к распределению энергии лазера, однородности детектора и темновому заряду собранные сигналы не обязательно отражают нормализованное распределение частиц. Точно так же часто требуется рассчитать или оценить локальное тушение при столкновении (функция от состава газа) и / или распределение Больцмана для исследуемых частиц, как описано ниже.

Дискретные энергетические состояния, занимаемые атомами и молекулами, в отсутствие реакций или облучения, регулируются распределением Больцмана. Согласно этому распределению соотношение атомов или частиц на двух уровнях энергии, разделенных разностью энергий (Δ E _ij ) при некоторой температуре ( T ), определяется выражением:

NjNi = e-ΔEij / (kT) (2)

, где k — постоянная Больцмана, N — доля населения в каждом энергетическом состоянии, а j — более высокое энергетическое состояние.Это соотношение становится важным при выборе переходов возбуждения для экспериментов LIF и может быть использовано для определения температуры на основе сравнительных измерений атомов, таких как индий (Medwell et al., 2009a) или галлия (Borggren et al., 2017), а также простых — молекулярные частицы, такие как NO или OH (McMillin et al., 1994; Richardson et al., 2016). Точно так же изменение температуры в зоне реакции может внести дополнительную погрешность в качественные измерения (Sidey and Mastorakos, 2015; Kruse et al., 2019) или полуколичественные измерения, которые не включают поправки на температуру (Medwell et al., 2007, 2008, 2009b; Ye et al., 2018). Последний подход можно считать допустимым после тщательного выбора длины волны возбуждения, чтобы гарантировать небольшое изменение (например, 10% Medwell et al., 2007) во фракции Больцмана в зоне реакции.

Столкновения между молекулами имеют фундаментальное значение для реагирующих потоков. Хотя многие столкновения могут вызывать или усиливать химические реакции, столкновения между колебательно-возбужденными частицами и крупными частицами также могут приводить к снятию возбуждения без испускания фотона.Этот процесс известен как тушение при столкновении и напрямую влияет на измерения LIF. Столкновительное тушение возбужденных частиц может быть оценено с использованием местной температуры, известных коэффициентов тушения столкновений между двумя заданными частицами (например, ОН и N ₂ ) и их плотностями числа. Эта зависимость от числовой плотности позволяет оценить эффекты тушения при столкновении с использованием только наиболее густонаселенных частиц в пламени, таких как O ₂ , N ₂ , CO, CO ₂ и топливных газов.Кроме того, хотя эти коэффициенты хорошо известны для ряда двухатомных видов, таких как ОН и NO, их расчет значительно сложнее для более сложных промежуточных горючих веществ, таких как CH ₂ O, что препятствует их количественной оценке.

Зависящие от температуры распределения населения приводят к зависящим от температуры спектрам поглощения и комбинационного рассеяния света. Эти спектры могут быть теоретически рассчитаны и впоследствии использованы для определения температуры и состава пламени путем сканирования длин волн возбуждения в ламинарном пламени или, в большей степени применительно к турбулентному пламени в горячих и разбавленных параллельных потоках, сбора однократных спектров в точке или на линии Рэлея-Рамана. (Картер и Барлоу, 1994; Масри и др., 1996; Barlow et al., 2000, 2015; Барлоу, 2007; Данн и др., 2009; Magnotti and Barlow, 2017) или CARS (van Veen, Roekaerts, 2005; Oldenhof et al., 2010; Correia Rodrigues et al., 2015a). Оба этих метода позволяют измерять температуру с высокой точностью с точностью до 1,5% (Magnotti and Barlow, 2017) и 2% (Roy et al., 2010), хотя Рэлей-Раман одновременно обеспечивает количественные измерения фракции смеси и основных частиц с точностью до 10%. % (Магнотти и Барлоу, 2017). В частности, в турбулентном пламени возможна точность 2% при измерении концентрации Ch5 (Magnotti and Barlow, 2017), 3% концентрации N ₂ , тогда как концентрации CO ₂ и H ₂ O могут быть измерены с точностью 6% и коэффициент эквивалентности (Φ), измеренный с точностью до 10% (Fuest et al., 2012). Аналогичным образом, концентрации O ₂ можно измерить с точностью до 2% в ламинарном пламени (Fuest et al., 2012). Оба метода были подробно описаны в предыдущей литературе (Eckbreth, 1996; Kohse-Höinghaus and Jeffries, 2002) и здесь подробно не обсуждаются.

Профили энергии лазера в импульсных лазерных системах меняются от кадра к выстрелу. В то время как энергетические профили могут быть разумно аппроксимированы гауссовыми для качественных измерений (Cavaliere et al., 2013) и считаются постоянными между выстрелами в исследованиях нелинейной и насыщенной LIF (Dunn et al., 2007a), методы линейного LIF и Рэлея, в которых сигнал пропорционален плотности потока энергии лазера (энергия, деленная на площадь луча), чувствительны к неоднородностям в энергетическом профиле, как и метод однократной термографии NTLAF (Medwell et al., 2009a ). Данные калибровки или одновременное отображение эталонных горелок можно использовать для получения усредненных по ансамблю или мгновенных профилей, соответственно, и дополнительно предоставить значения для других констант калибровки системы, таких как телесный угол изображения и эффективность сбора (Medwell et al., 2007, 2009b; Данн и Масри, 2010).

Для флуоресцентных измерений отдельных видов собранный сигнал является функцией как концентрации вида, так и местной температуры. Измеренный сигнал зависит от числовой плотности ( n , см. Раздел 2.1) интересующего вида, поскольку каждый пиксель или детектор отображает определенный пространственный объем, а не заранее определенное количество молей газа. Численность видов и определяется по формуле:

.
ni = Xi · P · NAR · T (3)

, где X — мольная доля частиц i , P — давление, N _A — число Авогадро, R — универсальная газовая постоянная и T — температура.Таким образом, можно оценить мольные доли по одновременным измерениям видов и температуры, однако это приводит к зависимости от точных измерений температуры. Соответственно, измерения видов могут быть представлены в единицах численной плотности (Medwell et al., 2007, 2008; Ye et al., 2018). Эта связь способствовала использованию итерационных процессов решения для расчета мольной доли таких веществ, как ОН, одновременно с температурой (Gordon et al., 2008, 2009).

3.Измерения поля скорости

Измерения скорости и турбулентности в пламени, стабилизированном в горелках JHC, имеют решающее значение для понимания взаимодействия турбулентности и химии и обеспечения точных граничных условий для проверки численной модели. Измерения оптической скорости в газообразном пламени выполняются либо с использованием велосиметрии с изображением частиц (PIV), либо с помощью лазерной доплеровской анемометрии (LDA, также известной как лазерная доплеровская велосиметрия). Оба эти метода требуют частиц с затравкой, которые способны выдерживать температуры пламени, например оксида алюминия, и точно следовать за потоком.Это последнее условие требует числа Стокса меньше единицы и обычно требует частиц микронного или субмикронного диаметра (Honoré et al., 2000; Oldenhof et al., 2010; Oldenhof et al., 2012; Barlow et al., 2012). Условие того, что частицы имеют сферическую форму, особенно важно для измерений LDA, которые также можно использовать для измерения скорости капель топлива в разреженном факеле распыления (Kawazoe et al., 1990; Yuan, 2015). Использование частиц в этих методах делает их восприимчивыми к эффектам термофореза, когда расширение газа из-за сильных температурных градиентов приводит к локальному перепаду давления, смещающему поток в сторону от области высоких температур.Этот эффект масштабируется с Δ T (Mungal et al., 1995; Frank et al., 1999), и, следовательно, менее важен в ближней зоне струйного пламени в горячих и разбавленных параллельных потоках, где пиковые температуры пламени и термические градиенты уменьшаются (Plessing et al., 1998; Dally et al., 2002; Cavaliere and de Joannon, 2004). Необходимо обеспечить засев частиц как в струйном, так и в горячем параллельном потоке, чтобы обеспечить равномерные и беспристрастные измерения в зоне смешения. Это требование к засеиванию частиц в совместный поток ограничивает измерения скорости в горелках JHC, которые создают горячие и разбавленные параллельные потоки на горелках с пористым слоем (Dally et al., 2002; Медвелл и др., 2007, 2008; Ye et al., 2017, 2018; Evans et al., 2019b; Kruse et al., 2019).

Велосиметрия по изображению частиц — это планарный метод, использующий рассеяние Ми на частицах, освещенных парой импульсных лазеров, разделенных известным временным интервалом. Пары изображений чаще всего захватываются с помощью двух идентичных лазеров и камеры с двумя импульсами, хотя были продемонстрированы другие конфигурации (например, две камеры или лазеры разных цветов). Смещение групп частиц впоследствии рассчитывается с использованием взаимной корреляции между парами изображений с использованием окон опроса от 8 до 64 пикселей.Размер окон опроса и синхронизация между импульсами диктуется требованием, чтобы в соответствующих окнах запроса на каждом изображении присутствовало достаточное количество частиц. Таким образом, для измерения скорости в разных местах пламени могут потребоваться разные моменты времени или несколько камер. Использование окон опроса приводит к меньшему количеству векторов скорости, чем пиксели изображения, хотя камеры, используемые для PIV, обычно имеют более высокое разрешение, чем камеры ICCD, используемые для измерения видов и температуры.