ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online)
УДК 621.793
DOI: 10.18503/1995-2732-2023-21-4-148-156
Аннотация
Постановка задачи. В статье представлены результаты моделирования процесса холодного газодинамического напыления порошковых покрытий. Этот процесс заключается в формировании покрытия за счет деформации металлических частиц при высокоскоростном столкновении с твердой поверхностью. Сложность взаимодействия частиц и подложки при варьировании параметров процесса холодного газодинамического напыления обуславливает необходимость использования математического моделирования для прогнозирования возможности формирования покрытий. Цель работы. Разработать математическую модель потока газа и движения частиц при холодном газодинамическом напылении с учетом специфики существующих областей газового потока и размера частиц порошка. Используемые методы. Для расчета параметров газа внутри сопла Лаваля использованы изоэнтропийные формулы; расчет параметров напыляемых производили с учетом значений числа Маха и числа Рейнольдса. Новизна полученных результатов. Разработана математическая модель движения потока газа в процессе холодного газодинамического напыления. Данная модель позволяет точно рассчитывать расход газа в коротких хорошо профилированных соплах со сходящимся дозвуковым потоком. Разработана математическая модель для расчета параметров напыляемых частиц и определения их напыляемости. Теоретически показано, что параметры напыления в процессе холодного газодинамического напыления могут быть рассчитаны с учётом нормированных параметров скорости или энергии частиц. Практическая значимость. На основании разработанных математических моделей произведен расчет параметров холодного газодинамического напыления, влияющих на свойства получаемых покрытий для частиц размером от 5 до 45 мкм. Получены закономерности, определяющие возможность нанесения порошка определенной фракции, а также зависимости скорости и температуры частиц от их размера. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования параметров холодного газодинамического напыления материалов с низкой температурой плавления.
Ключевые слова
холодное газодинамическое напыление, математическое моделирование, газовый поток, порошковый материал, размер частиц, температура частиц порошка, скорость частиц порошка, эффективность напыления
Для цитирования
Математическое моделирование процесса холодного газодинамического напыления порошковых цветных металлов / Бодров Е.Г., Серебряков И.С., Латфулина Ю.С., Напримерова Е.Д., Мясоедов В.А., Самодурова М.Н. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2023. Т. 21. №4. С. 148-156. https://doi.org/ 10.18503/1995-2732-2023-21-4-148-156
1. Kumar S., Reddy Sai Kiran, Joshi S.V. Microstructure and performance of cold sprayed Al-SiC composite coatings with high fraction of particulates // Surface & Coatings Technology. 2017, vol. 318, pp. 62-71.
2. Onur Meydanoglu, Bertrand Jodoin, E. Sabri Kayali. Microstructure, mechanical properties and corrosion performance of 7075 Al matrix ceramic particle reinforced composite coatings produced by the cold gas dynamic spraying process // Surface and Coatings Technology. 2013, vol. 235, pp. 108-116.
3. The effect of metal coatings on the interfacial bonding strength of ceramics to copper in sintered Cu-SiC composites / Dariusz M. Jarząbeka, Michał Milczarek, Tomasz Wojciechowski, Cezary Dziekoński, Marcin Chmielewski // Ceramics International. 2017, no. 43, pp. 5283-5291.
4. Cold spraying: from process fundamentals towards advanced applications / S. Grigoriev, A. Okunkova, A. Sova, P. Bertrand, I. Smurov // Surf. Coat. Technol. 2015, no. 268, pp. 77-84.
5. Thermal conductivity of graphite flakes-SiC particles/metal composites / R. Prieto, J.M. Molina, J. Narciso, E. Louis // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2011, no. 42, pp. 1970-1977.
6. Tazegul O., Dylmishi V., Cimenoglu H. Copper matrix composite coatings produced by cold spraying process for electrical applications // Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2016, vol. 16, iss. 3, pp. 344-350.
7. Corrosion protection and electrical conductivity of copper coatings deposited by low-pressure cold spraying / M.Winnicki, A.Małachowska, A. Baszczuk, M. Rutkowska-Gorczyca, D. Kukla, M. Lachowicz, A. Ambroziak // Surface & Coatings Technology. 2017, vol. 318, pp. 90-98.
8. Tribological Behavior of a Cold-Sprayed Cu-MoS2 Composite Coating During Dry Sliding Wear / Zhang Y., Michael Shockley J., Vo P. et al. // Tribol Lett. 2016, no. 62, Article 9.
9. Ternary Cu-CNT-AlN composite coatings consolidated by cold spray deposition of mechanically alloyed powders / E.J.T. Pialago, O.K. Kwon, M.-S. Kim, C.W. Park // Journal of Alloys and Compounds. 2015, vol. 650, pp. 199-209.
10. Microstructure and tribological behavior of copper and composite copper+alumina cold sprayed coatings for various alumina contents / Kostoula I. Triantou, Dimitris I. Pantelis, V. Guipont, M. Jeandin // Wear. 2015, vol. 336, pp. 96-107.
11. Boron Carbide (B4C) – Properties and Information about Boron Carbide [Электронный ресурс] // The AZo Journal of Materials Online: [сайт]. 2001. URL: http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=75 (дата обращения: 17.10.2023).
12. Nucleate pool boiling of R134a on cold sprayed Cu-CNT-SiC and Cu-CNT-AlN composite coatings / E.J.T. Pialago, O.K. Kwon, J.S. Jin, C.W. Park // Applied Thermal Engineering. 2016, vol. 103, pp. 684-694.
13. Electrochemicalcorrosion and mathematical model of cold spray Cu-Cu2O coating in NaCl solution - Part I: Tafel polarization region model / D. Rui, L. Xiangbo, W. Jia, X. Likun // Int. J. Electrochem. Sci. 2013, no. 8. pp. 5902-5924.
14. Макейкин А.М. Методика планирования многофакторного эксперимента влияния режимов холодного газодинамического напыления на коэффициент использования материала // Вестник науки. 2023. №7 (64). С. 275-279.
15. Волков А.О. Обзор холодного газодинамического напыления: проблемы и перспективы // Автомобильный транспорт. 2019. №45. С. 91-102.
16. Холодное газодинамическое напыление покрытий (обзор) / Козлов И.А., Лещев К.А., Никифоров А.А., Демин С.А. // Труды ВИАМ. 2020. №8(90). С. 77-93.
17. Реализация процесса нанесения покрытия медь-вольфрам методом холодного газодинамического напыления / Латфулина Ю.С., Дубенская М., Самодурова М.Н., Трофимов Е.А., Барков Л.А. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2021. №2. С. 40-49.
18. Структурно-фазовые превращения в покрытии на основе частиц меди и цинка, нанесенном газодинамическим напылением / В.Е. Архипов, Т.И. Муравьева, М.С. Пугачев, О.О. Щербакова // Металловедение и термическая обработка металлов. 2020. №4(778). С. 32-36.