Модель является первой, которая связывает точки между скоростью столкновения частиц, преобразованием энергии и повышением температуры в зоне столкновения частиц в трех измерениях.CGDS уже широко используется для производства или ремонта металлических деталей для больших пассажирских авиалайнеров, а также мобильной техники и военной техники.При этом сопло де Лаваля распыляет металлические частицы микронного размера на короткое расстояние, обычно 25 мм, на поверхность металла или полимера. Частицы ударяются о поверхность со скоростью от 300 до 800 метров в секунду.
Для начала скорость звука составляет 343 метра в секунду.CGDS имеет лучший температурный диапазон среди всех промышленных процессов распыления, используемых сегодня, и экономит энергию, поскольку не требует дополнительного нагрева.Тайна производства
Однако в заводском цехе начинается тайна. Если у вас есть медная частица размером 5 микрон, как быстро она должна прибыть в зону осаждения на алюминии, если вы раньше не использовали эту комбинацию?
Или вы выбираете новый металл для частиц и новый металл для поверхности: как вы вообще начинаете угадывать, какого размера должны быть частицы и с какой скоростью они должны ударить по поверхности, чтобы дать вам хорошо связанное покрытие?Имейте в виду, что связанное покрытие CGDS не должно иметь испарения, кристаллизации, остаточных напряжений или других термических повреждений — некоторые из основных причин, по которым CGDS используется в первую очередь. Эти вопросы могут иметь огромные финансовые последствия для производственного оборудования в производственном цехе.Физика все еще отсутствует
Почему CGDS связывает металлические частицы с поверхностью подложки, не поддается пониманию с момента ее изобретения в 1980-х годах военными, говорит Джен, профессор кафедры машиностроения в Университете Йоханнесбурга.«Сначала военные использовали CGDS для ремонта запчастей в глуши.
Затем другие отрасли промышленности поняли, что вы можете использовать его и на очень хрупких поверхностях. Вы можете создать новую склеенную поверхность толщиной всего несколько микрон или продолжать распыление до тех пор, пока у вас есть 10-миллиметровое покрытие. После того, как вы заполнили трещины или отверстия, вы можете обработать деталь, чтобы снова получить ее точные размеры, потому что связанное покрытие GDS может быть тверже, чем титан или ванадий, из которого сделана деталь ».
Покрытие CGDS может быть таким твердым из-за сжимающих напряжений, возникающих при столкновении частиц с поверхностью. По его словам, эти напряжения увеличивают усталостную долговечность металла.
Это похоже на то, что происходит при дробеструйной обработке, промышленном процессе, подобном CGDS, но с использованием «шариков» диаметром несколько миллиметров для удара о поверхность.«CGDS используется для очень дорогостоящего производства и ремонта, но не существует всеобъемлющей, реалистичной модели, описывающей физику всего процесса», — говорит Джен.3D с разбрызгиванием
В CGDS инженеры говорят о двух зонах. Первый — это зона полета между распылительным соплом и обрабатываемой поверхностью.
Эта зона была смоделирована Джен в исследовательской статье 2005 года в International Journal of Heat and Mass Transfer.Вторая зона — это зона осаждения, где распыляемые изделия ударяются о поверхность.
Новая 3D-модель описывает эту зону.Предыдущие двухмерные модели пытались решить загадку, связанную со склеиванием CGDS, но у них есть серьезное ограничение. Когда вы расширяете 2D-модель до 3D, вы получаете «горизонтальный цилиндр», спускающийся к обрабатываемой поверхности.«К сожалению, опускающийся цилиндр не может достаточно реалистично моделировать то, что происходит с дискретными шариковидными частицами, которые« разбрызгиваются »на поверхность подложки», — говорит Джен.
Промышленности известно, что скорость (скорость) приближения частицы к подложке имеет решающее значение. Слишком медленно, и он просто отскочит. Слишком быстро, и он может пройти, как пуля, сквозь тонкий субстрат.
Новая модель анимирует в 3D одну сферическую частицу, «падающую» на металл подложки. Подложка «разбрызгивается», а затем частица и подложка соединяются. «Брызги» субстрата похожи на брызги молока, когда что-то падает в миску кошки.
В промышленности это называется струйным режимом », — говорит Джен.Холодный металл, повышение температурыМодель использует несколько параметров, описывающих природу частицы и поверхности: плотность, теплопроводность, удельная теплоемкость, температура плавления, модуль упругости, коэффициент Пуассона, пластичность Джонсона-Кука и повреждение Джонсона-Кука.Он первым предсказывает в 3D, как средняя температура в зоне удара частицы будет расти и понижаться в зависимости от размера и скорости удара частицы.
Модель была опубликована в Journal of Thermal Spray Technology.Достаточно быстро, чтобы таять«Для этой 3D-модели мы исходили из гипотезы, что металлическая частица должна связываться с подложкой при температуре плавления 60%, чтобы создать прочную новую поверхность, не повреждая подложку», — говорит профессор Джен.Например, медь (Cu) имеет температуру плавления 1083 градуса по Цельсию, 60% от которой составляет 650 градусов по Цельсию. Таким образом, гипотеза гласит, что медная частица размером 5 микрон, ударяющаяся о поверхность алюминиевой подложки, должна быть достаточно быстрой, чтобы средняя температура зоны удара поднялась как минимум до 650 градусов Цельсия и не намного больше, чтобы произошло хорошее соединение.
Согласно модели, этот критический диапазон скорости удара составляет от 700 до 800 метров в секунду.Преобразование сверхзвуковой энергии«Когда медная частица движется со сверхзвуковой скоростью и ударяется о поверхность алюминия, ее движущаяся (кинетическая) энергия преобразуется в тепловую (тепловую)», — говорит профессор Джен.
Это зависит от скорости удара частицы.«Тепло делает частицу и зону удара« мягкими и липкими », как плавленый сыр.
Частица превращается в« мягкую каплю », которая заполняет« кратер от удара »на поверхности подложки. В то же время возникает трение между каплей и поверхностью кратера, что имеет решающее значение для процесса соединения », — говорит он.
«Трение« захватывает »каплю, и она погружается в поверхность подложки. Когда капля опускается вниз, расплавленная подложка вокруг частицы« разбрызгивается »в типичном режиме струи.
Когда струя оседает, связь между частицей и поверхностью завершено ", — говорит Джен.Модель против реального мираМодель, хотя и ограниченная, подтверждается экспериментальными результатами с частицами меди, напыленными на алюминиевую поверхность.
«Когда скорость удара находится в пределах диапазона, предсказанного моделью для размера частиц, достигается достаточная температура связывания и создается прочное покрытие CGDS. В качестве примера мы установили наше оборудование CGDS в лаборатории для частиц меди со средним размер 5 микрон, переносимый азотом, и скорость удара в диапазоне от 700 до 800 метров в секунду, осажденного вниз на алюминий.«Модель предсказывает, что при скорости удара около 750 метров в секунду в зоне столкновения частиц будет достигнута критическая температура склеивания 650 градусов Цельсия. В соответствии с этим предсказанием, мы получили отличные покрытия со связующим CGDS», — говорит он.
«Однако, как также предсказано моделью, с помощью нашей лабораторной установки мы обнаружили, что, когда скорость удара частицы выходит за пределы критического диапазона, достигается недостаточная температура связывания. Это может привести к плохому покрытию поверхности с разрыхленными порошками и скрежетом поверхности, что не соответствуют производственным стандартам качества », — говорит Джен.Остается грандиозный вызовОдночастичная однослойная трехмерная модель будет расширена до многочастичной многослойной модели в последующих проектах.
Джен говорит: «Эта 3D-модель — первая, описывающая, как температура в зоне воздействия влияет на осаждение частиц. Однако реалистичное моделирование зоны осаждения в CGDS остается сложной задачей.
В реальных условиях частицы неоднородны. размер или форма, и перемещаться с разными скоростями и углами. Таким образом, более полная модель должна будет учитывать диапазоны или распределения всех этих параметров ".