Плазмохимическая обработка порошковых материалов для лазерных аддитивных технологий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Плазмохимическая обработка порошковых материалов для лазерных аддитивных технологий

Исхаков Ф.Р. ¹; Кудимов О.В. ¹; Шпилев А.И. ¹; Нагулин К.Ю. ¹, к.ф.-м.н.; Гильмутдинов А.Х.¹, д.ф.-м.н.

^{1Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ}

Аннотация

Данная статья посвящена актуальной на сегодняшний день проблеме подготовки порошковых материалов для аддитивного производства. Методами численного моделирования проведено исследование влияния режимов работы реактора на газовую динамику и температурные поля внутри релаксационной камеры установки плазменной сфероидизации порошков.

Ключевые слова: индуктивно-связанная плазма, сфероидизация порошков, вычислительная газовая динамика.

Существующие технологии для селективного лазерного спекания (SLM) и прямого лазерного напыления (LMD) все чаще выдвигают особые требования к гранулометрическим свойствам используемых порошков. В последние годы сфероидизация металлических порошков с применением низкотемпературной плазмы стала неотъемлемым этапом при подготовке многих материалов для аддитивного производства. Одними из самых эффективных в этом направлении комплексов являются устройства, использующие высокочастотный индуктивный нагрев газа. Отсутствие электродов во внутренней области плазменной горелки позволяет получить особо чистую высокочастотную плазму, лишенной продуктов их разрушения, а невысокая скорость плазменной струи атмосферного давления, позволяет частицам долго находиться в зоне высоких температур. Кроме того, высокая температура (5000-10000^оK) позволяет получать порошки из тугоплавких материалов. Промышленное применение таких плазмотронов дает возможность проводить обработку мелкодисперсных порошков с большой производительностью и является актуальным и многообещающим направлением в порошковой металлургии [1, 2].

В многочисленных работах обнаружена прямая зависимость размера и формы частиц на выходе от расхода охлаждающего потока реактора, что дает весьма удобный способ управления характеристиками продукта [3]. Однако, вследствие отсутствия доступа в внутреннему пространству камеры осаждения во время работы комплекса, численное моделирование остается одним из немногих инструментов для оценки термодинамических параметров процесса.

Объект исследования

В качестве объекта моделирования использована модифицированная камера осаждения плазменной горелки (СТЕКО ЛТД, С.-Петербург, Россия). Плазмообразующим и транспортным газом для порошка является аргон.

Рис. 1 - Внешний вид камеры осаждения продуктов реакции плазменной горелки. Цифрами обозначены: 1 - выход с плазмотрона; 2 - верхний контур водяного охлаждения стенок камеры; 3 - входы для ввода охлаждающего газа в внутрь реактора; 4 - нижний контур водяного охлаждения стенок камеры; 5 - выходной фланец.

Стенки конденсора со всех сторон окружены цилиндрической полостью для охлаждения проточной водой. Между верхним и нижним контурами охлаждения расположена кольцевая полость с двумя наружными фланцами для ввода охлаждающего газа и 24 отверстиями на внутренней стенке для инжектирования в зону осаждения.

Методика исследования

Для выполнения расчетов методом конечных объемов была построена 3D-модель и расчётная сетка области течения газов внутри камеры осаждения. Сетка состоит из более чем 750 000 тетраэдрических ячеек с размерами от 0.5 мм до 10 мм (рис. 2).

Рис. 2 - Расчетная сетка внутренней поверхности камеры осаждения

В качестве инструмента для проведения экспериментов по моделированию газовой динамики был выбран программный пакет ANSYS Workbench. Входящий в него продукт FLUENT^® позволяет проводить расчёт газодинамики путём итерационного решения полной системы уравнений Навье-Стокса, состоящей из уравнения неразрывности:

, (1)

где с - плотность газа, - поле скоростей газа, S_с - величина, характеризующая объемный источник массы, S_с ? 0 в областях, являющихся источниками массы; а также уравнения переноса импульса:

, (2)

где g - ускорение свободного падения, S_f - объемный источник силы; p - давление газа, определяемое выражением (5), P_visc - тензор напряжений.

Для учета теплопереноса использовалось уравнение:

, (3)

где I - внутренняя энергия, S_I - объемный источник тепловой энергии, л - коэффициент теплопроводности, P - суммарный тензор напряжений, C_V - теплоемкость газа при постоянном объеме.

Решение дискретизированных уравнений 1-3 выполнялось по полунеявной схеме c коррекцией давления SIMPLE для стационарного случая. Исходя из оценки числа Рейнольдса выбрана ламинарная модель вязкости. Граничными условиями модели являются фиксированный массовый расход газа входного фланца из горелки, охлаждающих потоков и условие на свободный выход потоков через нижний фланец. Температура потоков входного фланца задана по параболическому закону с максимумом 4000^оK на центральной оси, а охлаждающих - постоянной 300^oK.

Результаты и обсуждение

В силу необходимости поддерживания условий для непрерывного и стационарного горения плазмоида, варьирование массового расхода продуктов на входе конденсационной камеры в широких пределах не представляется возможным. Поэтому основным управляющим фактором на этапе остывания и кристаллизации частиц порошка остается регулировка кольцевого холодного обдува.

На рис. 3 приведены осевые температурные профили истечения нагретого газа в конденсационную камеру. Результаты моделирования показали, что в отсутствие кольцевой инжекции холодного газа горячий поток (T>2000^oK) достигает выходного фланца. Данный режим эксплуатации является недопустимым, т.к. приведет к выходу из строя системы сбора продуктов плазменной обработки и вентиляционной вытяжки.

Рис. 3 - Распределение температуры в осевом сечении камеры осаждения для случаев расхода охлаждающего газа а) - 0 кг./с; б) 0,0005 кг/с; в) 0,001 кг/с; г) 0,0015 кг/с; д) 0,002 кг/с. Расход входного горячего газа для всех случаев 0,00126 кг/с

При увеличении подачи газа охлаждения наблюдается несимметричный снос горячих масс реакции от центральной оси симметрии и их нарастающая локализация в верхней половине камеры, а средняя температура в исследуемом объеме монотонно уменьшается (рис. 4). Таким образом выявлена возможность регулирования скорости охлаждения в широком диапазоне для нужд разнородных порошковых материалов, не прибегая к изменению параметров работы ВЧ плазмотрона.

Рис. 4 - График зависимости средней температуры в объеме от расхода охлаждающего газа.

Линии тока газа, исходящие от горячего фланца, при наличии охлаждения претерпевают отклонения и отражения, взаимодействуя с радиальными скоростными пучками (рис. 5). Это может способствовать задержке ультрадисперсных и тонкодисперсных фракций порошка, увлекаемых газом, в зоне повышенной температуры и последующему их осаждению в верхней части конденсора. В то же время более тяжелые фракции под действием инерции и гравитации сразу перейдут в область начала кристаллизации.

Рис. 5 - Линии тока газа для случаев расхода охлаждающего газа а) - 0 кг./с; б) 0,0005 кг/с. Расход входного горячего газа для всех случаев 0,00126 кг/с

газовый температурный плазма реактор

Результаты моделирования течения аргона при наличии нагрева через расчётную сетку плазмохимического реактора указывают на следующие особенности:

- изменение интенсивности охлаждающей инжекции оказывает существенное влияние на поля температуры и течения в камере, что можно использовать для подстройки режима сфероидизации;

- трехмерное моделирование истечения нагретого газа в релаксационную камеру выявило асимметричное протекание газодинамических процессов;

- неравномерная локализация высокотемпературных областей в пристеночных зонах камеры создает условия для нежелательной конденсации паров синтезируемого вещества на поверхности стенок.

Работа выполнена в КНИТУ-КАИ при поддержке Министерства образования и науки РФ, госконтракт в рамках 220-го постановления №14.Z50.31.0023.

Литература

1. К. Ю. Нагулин; Р. И. Ибрагимов; И. В. Цивильский; А. Х. Гильмутдинов. Диагностический комплекс для моделирования и экспериментального исследования спектральных и газодинамических характеристик индуктивно-связанной плазмы // Оптический журнал. 2012. С. 33-41.

2. К. Ю. Нагулин; Р. И. Ибрагимов; И. В. Цивильский; А. Х. Гильмутдинов. Пространственно-временная структура газовых потоков и температурных полей в индуктивно-связанной плазме // Оптический журнал. 2012. С. 42-49.

3. V. Colombo, E. Ghedini, M. Gherardi, P. Sanibondi Modelling for the optimization of the reaction chamber in silicon nanoparticle synthesis by a radio-frequency induction thermal plasma // PLASMA SOURCES SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2012. p. 21-31.

Размещено на Allbest.ru